CN105342613A - 一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量人体电阻抗设备领域，尤其涉及一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极及其制备方法。所述用于测量肌肉阻抗的柔性电极包括绝缘柔性衬底、至少一对激励电极片、至少一对测量电极片、表面修饰层、金属引线、金属引线接口和高分子保护膜，其中，所述激励电极片和测量电极片通过排布形成电极阵列，将所述电极阵列、金属引线、金属引线接口设置于绝缘柔性衬底上，将所述表面修饰层覆盖于每个电极片之上，并且将所述高分子保护膜覆盖于绝缘柔性衬底设置有电极阵列的一面上。上述电极通过采用绝缘柔性衬底和界面修饰层可有效减小由接触界面阻抗造成的测量误差，且无创无痛，操作简便，具有可重复性，适合推广。

Description

一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极及其制备方法

技术领域

本发明属于测量人体电阻抗设备领域，尤其涉及一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极及其制备方法。

背景技术

肌电图(Electromyogram，EMG)是目前用于检测神经肌肉异常的主流方式。EMG一般通过测量神经肌肉细胞膜内外动作电位的传导来评估神经肌肉系统的功能。然而，肌电图测试方法存在局限性。首先，在实际测量中判断运动单元动作电位(MotorUnitActionPotential，MUAP)是否异常是非常困难的，需要有经验的医生对同一肌肉区域做多次检查。其次，肌电图针电极需要侵入皮肤，且刺激强度高，因此其测量需要病人的高度配合，测量本身也会给病人带来不适与皮肤感染的风险。对于第一点局限，中国专利201310324009.3公开了“一种高密度有源柔性电极阵列及其信号调理电路”并介绍了有源电极阵列与信号调理能提高对MUAP的分辨能力，但是肌电图的检测仍需有经验的医生来操作。对于第二点局限，目前已经有专利如200910136532.7及专利申请21410469846.X等公开了表面肌电图电极，上述专利可以解决电极侵入性的问题，然而由于其电极没有直接接触肌肉或真皮导致信号噪声比较大，需要后续空间滤波等技术的处理，因此整个测量过程更加复杂。

美国专利US2012323136A1公开了一种新的测量肌肉异常的方法，电阻抗肌动描记法(ElectricalImpedanceMyography，EIM)。EIM利用电流电极向被测肌肉组织区域施加微弱电流，通过分析电压电极检测的肌肉静息状态下的电信号，提取与肌肉成分改变、结构破坏、神经肌肉疾病等肌肉生理状态息息相关的阻抗特性及其变化规律。与肌电图相比，EIM操作简便，信息丰富，还可进行定量评估，对于运用其检测无需特别的人员培训，并且EIM无创无痛，无需病人特别配合，尤其适用于儿童疾病的诊断和评估。

EIM测量普遍采用四电极体系，至少包括两对电极，一对激励电极，用于把正弦交流电信号注入肌肉组织，位于测量部位的两端；一对测量电极，用于提取含有肌肉阻抗信息的电压信号，位于测量部位的中间。在目前的临床科研实践中，传统单片湿电极是EIM的主流电极。这种电极使用过程中需要反复标记电极位置，逐一粘贴、固定分离的单片电极，测试过程繁琐，耗时长；并且四电极系统之间的相对位置易发生改变，影响阻抗测量重复性；如若测量肌肉阻抗的各向异性，则需要按一定角度旋转电极对，耗时更长。

在上述美国专利中，虽然发明人陈列了几种可能的电极阵列的排布方式，但是由于缺少对必要的技术参数如电极对间隔，电极大小与电极材料等的描述，使电极在实际中的制造与应用成为困难。当测量电极间距固定时，激励电极间距较大时，测量电极对正下方的电流近乎水平流过；激励电极间距较小时，测量电极对正下方的电流不易到达被测肌肉区域，且存在串扰，影响EIM检测。另外，肌肉阻抗大小与测量电极间距息息相关，不同的测量电极间距，测量的不同长度的肌肉，其阻抗必然不同。并且，电极面积影响皮肤与电极间的接触界面阻抗，若电极面积过小，其接触界面阻抗则急剧升高，影响肌肉阻抗的测量。此外，电极采用的材料也会影响电极的接触界面阻抗。

中国专利申请201410583507.4公开了“基于微针阵列的肌肉阻抗手持电极及制备方法”并介绍了一种微针阵列电极在使用中的简便性与其检测灵敏度的提升。然而，由于此种电极是一种硬性平板电极，与曲面肌肤贴合不紧密，测试结果往往不够理想。并且，此电极虽然是微针结构，还是具有侵入性，会给病人带来一定的不适感。现有技术文件“3，4-乙烯二氧噻吩电化学聚合物提高了电极的保真度和灵敏度(PEDOTElectrochemicalPolymerizationImprovesElectrodeFidelityandSensitivity)”和“新型氧化铱干电极在非侵入性的生物电位的记录和刺激的应用(NewDryElectrodesBasedonIridiumOxide(IrO)forNon-invasiveBiopotentialRecordingsandStimulation)介绍了新型材料在肌肉电阻电极应用方向的可能性。

发明内容

为了解决在测试肌肉阻抗中传统单片电极操作繁琐，测试时间长的问题，以及微针电极阵列存在与肌肤贴合不紧密且具有侵入性的问题，本发明的目的是提供一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极。

本发明的另一个目的是提供上述用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其包括：绝缘柔性衬底、至少一对激励电极片、至少一对测量电极片、表面修饰层、金属引线、金属引线接口和高分子保护膜，其中，将所述激励电极片、测量电极片通过排布形成电极阵列，将所述电极阵列、金属引线和金属引线接口设置于绝缘柔性衬底上，将所述表面修饰层覆盖于每个电极片之上，并且将所述高分子保护膜覆盖于绝缘柔性衬底设置有电极阵列的一面上。

进一步地，所述表面修饰层含有PEDOT，其厚度为500nm-10μm。鉴于材料的易获得性、实际制造的可操作性以及其对人体的相容性，所述表面修饰层采用的材料包括聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)/聚对苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)、聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)/碳纳米管(PEDOT/CNT)，其中，PEDOT/PSS为优选材料。其中，PEDOT混合材料的固含量一般在1％-6％，PEDOT与其他材料的配比可按实际需要选择，PEDOT含量高时表面修饰层电学性能好，但电极重复使用后修饰层容易碎裂。为提高电极整体的检测效率，所述表面修饰层的尺寸应至少完全覆盖相对应的电极片，至多不与其他电极片的表面修饰层相连接。

进一步地，所述激励电极片和测量电极片由金属、金属氧化物、导电墨水或导电凝胶材料制成。考虑到电极片材料需要良好的导电性，所述金属材料中优选银或金或者金银合金，所述金属氧化物材料中优选氧化铱。

进一步地，所述激励电极片和测量电极片的长度为5mm-50mm，宽度为2mm-20mm，且厚度为200μm-500μm。所述激励电极片与测量电极片之间及测量电极片之间相邻距离为10mm-100mm。由于人体肌肉大小不一，在实际制造中，应考虑被测肌肉的不同而定制特定电极片尺寸与电极片间距。再者，肌肉阻抗具有各向异性：沿长柱状肌纤维的肌肉导电性远强于横向导电性，肌肉阻抗随着施加电流与肌纤维角度的改变而改变。在对电极片排布形成电极阵列时，应考虑肌肉各向异性问题而对电极片进行不同方向的排布。肌肉阻抗与电极间距息息相关，不同的电极片间距，阻抗不同。在实践中可利用肌肉阻抗这一特性进行电极片的水平排布形成电极阵列来对某一区域肌肉阻抗进行更精确的测量。本发明在电极实施例一至三中结合实际情况，对电极片尺寸、电极片间距与电极片排布方式进行了更进一步的详细说明。

进一步地，所述绝缘柔性衬底厚度为500μm-3mm，其边缘预留有供金属引线接口覆盖的突出部分。所述绝缘柔性衬底的突出部分是为金属引线接口的覆盖预留的，因此突出部分应根据电极片的大小、间隔与排布来做出相应的改变使实际测量时电极的金属引线接口便于和相应的电源与测量仪器相连接。在实际电极的制备中，若所述绝缘柔性衬底直接采用商用材料，可在裁剪时预留突出部分，若所述绝缘柔性衬底是根据模具自行制备，则应在模具中预留突出部分的形状。鉴于材料的易获得性与实际制造的可操作性，所述绝缘柔性衬底的材料优选硅胶、PET或PDMS。

进一步地，所述高分子保护膜厚度为200μm-2mm，鉴于材料的易获得性与实际制造的可操作性，其材料优选PVC、PET或PE。

在实际测量中，测量操作人员撕去所述电极的高分子保护膜，将绝缘柔性衬底设置有电极的一面贴在被测试人员的皮肤表面上，用医用胶布固定电极即可。

本发明还提供了一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，制备并清洗绝缘柔性衬底，其中，所述绝缘柔性衬底边缘预留有供金属引线接口覆盖的突出部分；

步骤2，将激励电极片与测量电极片通过排布形成的电极阵列、金属引线和金属引线接口设置于绝缘柔性衬底(1)之上；

步骤3，将表面修饰层(4)涂覆于每个电极片之上；

步骤4，将高分子保护膜(7)覆盖于绝缘柔性衬底设置有电极阵列的一面上。

进一步地，在所述用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法中，鉴于电极制备可操作性与电极制备成本，在完成对电极片的排布以及他们配套的引线与引线接口的设计后，优选使用蒸镀或喷墨打印的方式将电极阵列、金属引线和金属引线接口设置于绝缘柔性衬底之上。

进一步地，在所述用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法中，鉴于电极制备可操作性与电极制备成本，优选使用丝网印刷的方式将表面修饰层涂覆于每个电极片之上。

本发明所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极与现有技术相比的优点在于：

1.本发明通过在绝缘柔性衬底上设置电极阵列，使不平坦皮肤表面与电极片间实现良好的界面接触，从而减小了由接触界面阻抗造成的测量误差。

2.电极片的大小与电极片的间距合理，有效减小了由电极片过小而产生的接触阻抗，避免了电极片间隔过小而产生的串扰，使电极能够高效地应用于肌肉阻抗的测量。此外，电极片之间位置相对固定，可避免反复标记电极片位置和粘贴、固定电极片，这样使测量结果可重复性高，方便科研和临床人员的操作。

3.将表面修饰层覆盖于每个电极片上，使电极片的导电能力提高、接触界面阻抗降低，从而使电极对于肌肉阻抗的测量更加敏感与准确。且所述表面修饰层是无毒性的，不会对人体皮肤造成伤害。

4.该电极是非侵入式的表面电极，无创无痛，在应用其测量时对病人配合度要求不高，尤其适合于儿童疾病的诊断和评估。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为电极实施例一中的基本简单四电极片式电极的结构示意图；

图2为电极实施例二中的双向四电极片式电极的结构示意图；

图3为电极实施例三中的平行多对电极片式电极的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。所述参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能视为对本发明的限制。

电极实施例一：

如图1所示，本发明提供一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极，所述装置包括：绝缘柔性衬底1、一对激励电极片2、一对测量电极片3、表面修饰层4、金属引线5、金属引线接口6和高分子保护膜7，其中，激励电极片2及测量电极片3与金属引线5设置于绝缘柔性衬底1上，四个金属引线接口置6于绝缘柔性衬底1一侧，表面修饰层4涂覆于每个电极片之上且这些表面修饰层4互不重叠，高分子保护膜7全面覆盖于绝缘柔性衬底1设置有电极阵列8的一面。

上述装置中，绝缘柔性衬底1的材料为PET，绝缘柔性衬底1的厚度为3mm，激励电极片2与测量电极片3的材料为银，电极片的长度为20mm、宽度为10mm、厚度为500μm，激励电极片2与测量电极片3的间距为25mm，测量电极片与测量电极片的间距为40mm，表面修饰层4的材料为PEDOT/PSS，表面修饰层4的厚度为10μm，高分子保护膜7的材料为PVC，高分子保护膜7的厚度为2mm。

此电极阵列的排布结构比较简单，电极片尺寸较大，适合于长度较长肌肉的肌肉阻抗的初步检测。将电极金属引线接口6置于绝缘柔性衬底1一侧，便于测量时的操作。在实践中，激励电极片2对应的金属引线接口5将会连接到正弦电流电源，测量电极片3对应的金属引线接口5将会连接到相关的电压分析仪器进而测量肌肉阻抗。

电极实施例二：

如图2所示，在绝缘柔性衬底1上，两对激励电极片2位于电极的外侧而其对应的测量电极片3位于电极里缘，表面修饰层4涂覆于电极片上，金属引线5分别将激励电极片2和测量电极片3连接到八个金属引线接口6，这八个金属引线接口6分别位于电极的四周，高分子保护膜7全面覆盖于绝缘柔性衬底1设置有电极阵列8的一面。

上述装置中，绝缘柔性衬底1的材料为硅胶，绝缘柔性衬底1的厚度为1mm，激励电极片2与测量电极片3的材料为钛叠加氧化铱，电极片的钛层和柔性绝缘衬底1相贴，钛层的厚度为500nm，电极片的氧化铱层厚度为9.5μm，激励电极片2的长度为25mm、宽度为10mm，测量电极片3的长度为15mm、宽度为10mm，测量电极片与激励电极片的间距为25mm，测量电极片与测量电极片的间距为65mm，表面修饰层4的材料为PEDOT/PSS，表面修饰层4的厚度为1μm，高分子保护膜7的材料为PET，高分子保护膜7的厚度为1mm。

本实施例针对肌肉的各向异性对激励电极片2对与测量电极片3进行了不同方向的排布。为了减小测试繁琐性，本实施例所述的电极只测量肌肉水平和垂直两个方向的阻抗信息，每个方向还是基于实施例一的基本结构体系。八个金属引线接口6分别位于电极的四周，便于测量时的操作。

电极实施例三：

如图3所示，在绝缘柔性衬底1上，一对激励电极片2分别位于电极阵列8两侧，四对测量电极片3位于激励电极片2的中间，表面修饰层4涂覆于电极上，金属引线5分别将激励电极片2和测量电极片3连接到对应的金属引线接口6，所有金属引线接口6位于电极的同一侧，高分子保护膜7全面覆盖于绝缘柔性衬底1设置有电极阵列8的一面。

上述装置中，绝缘柔性衬底1的材料为PDMS，绝缘柔性衬底1厚度为500μm，激励电极片2与测量电极片3的材料为金，电极片的长度为5mm、宽度为5mm、厚度为200nm，测量电极片3之间的距离为10mm，激励电极片2与测量电极片3间距为20mm，表面修饰层4的材料为PEDOT/CNT，表面修饰层4的厚度为500nm，高分子保护膜7材料为PVC，高分子保护膜7厚度为200μm。

为了测量某区域肌肉空间阻抗信息，得到某肌肉区域的平均阻抗值，本实施例在最外侧激励电极2中间，增加了四对测量电极3形成电极阵列8。上述方法所形成的电极可减小测量的系统误差。本实施例适合应用于较小肌肉的精确肌肉阻抗测试。将十个电极金属引线接口6置于绝缘柔性衬底1一侧，便于测量时的操作。

为实现上述电极，本发明提供以下电极制备方法：

制备方法实施例一：

步骤一：将商用PET薄膜裁剪成合适形状，使其边缘带有供金属引线接口覆盖的突出部位，清洗PET表面；

步骤二：将银含量超过70wt％的银墨水混匀，装载至喷墨打印机；

步骤三：利用液滴直径为200μm的微喷头将银墨水打至PET表面，形成预定的电极阵列、引线和引线接口图形；

步骤四：放入烤箱，以120℃的温度烘烤30-60分钟至硬化成型；

步骤五：将PEDOT/PSS涂剂用丝网印刷涂覆于每个电极片之上；

步骤六：将高分子保护膜全面覆盖于PET薄膜设置有电极阵列的一面上，完成制备。

制备方法实施例二：

步骤一：将PDMS预聚体与固化剂按照10∶1的质量比混合，真空脱气后，浇注在边缘带有供金属引线接口覆盖的模具槽内，放入烤箱以80℃固化60分钟后，将其揭下；

步骤二：清洗PDMS表面至洁净光滑；

步骤三：在PDMS表面蒸镀20nm的金属铬，再在铬上蒸镀200nm的金属金；

步骤四：在金表面旋涂一层均匀的负型光刻胶，通过曝光形成电极阵列、引线和引线接口；

步骤五：在电极阵列、金属引线和金属引线接口掩膜下反应离子刻蚀暴露的金属层；

步骤六：将PEDOT/CNT涂剂用丝网印刷涂覆于每个电极片之上；

步骤七：利用丙酮去除负型光刻胶；

步骤八：将高分子保护膜全面覆盖于PET薄膜设置有电极阵列的一面上，完成制备。

Claims (10)

1.一种用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其包括绝缘柔性衬底(1)、至少一对激励电极片(2)、至少一对测量电极片(3)、表面修饰层(4)、金属引线(5)、金属引线接口(6)和高分子保护膜(7)，其中，所述激励电极片(2)、测量电极片(3)通过排布形成电极阵列(8)，将所述电极阵列(8)、金属引线(5)和金属引线接口(6)设置于绝缘柔性衬底(1)上，将所述表面修饰层(4)覆盖于每个电极片之上，并且将所述高分子保护膜(7)覆盖于绝缘柔性衬底(1)设置有电极阵列(8)的一面上。

2.根据权利要求1所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述表面修饰层含有PEDOT，其采用的材料为PEDOT/PSS或PEDOT/CNT，所述修饰层的厚度为500nm-10μm。

3.根据权利要求1所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述激励电极片(2)与测量电极片(3)的长度为5mm-50mm，宽度为2mm-20mm，且厚度为200nm-500μm。

4.根据权利要求1所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述激励电极片(2)与测量电极片(3)之间及测量电极片(2)之间相邻距离为10mm-100mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述激励电极片(2)与测量电极片(3)采用的材料为金属、金属氧化物、导电墨水或导电凝胶，所述金属为金或银或者金银合金，所述金属氧化物为氧化铱。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述绝缘柔性衬底(1)的厚度为500μm-3mm，其边缘预留有供金属引线接口(6)覆盖的突出部分，所述绝缘柔性衬底(1)采用的材料为硅胶、PET或PDMS。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极，其特征在于：所述高分子保护膜(7)的厚度为200μm-2mm，其采用的材料为PVC、PET或PE。

8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，制备并清洗绝缘柔性衬底(1)，其中，所述绝缘柔性衬底(1)边缘预留有供金属引线接口(6)覆盖的突出部分；

步骤2，将激励电极片(2)与测量电极片(3)通过排布形成的电极阵列(8)、金属引线(5)和金属引线接口(6)设置于绝缘柔性衬底(1)之上；

步骤3，将表面修饰层(4)采样的材料涂覆于每个电极片之上；和

步骤4，将高分子保护膜(7)覆盖于绝缘柔性衬底(1)设置有电极阵列(8)的一面上。

9.根据权利要求7所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法，其特征在于：所述电极阵列(8)、金属引线(2)和金属引线接口(3)使用蒸镀或喷墨打印的方式被设置于绝缘柔性衬底之上。

10.根据权利要求7所述的用于测量肌肉阻抗的柔性电极的制备方法，其特征在于：所述表面修饰层(4)采用的材料使用丝网印刷的方式涂覆于每个电极片之上。