CN107374622A - 一种采集脑电信号的柔性干式电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采集脑电信号的柔性干式电极及其制备方法。该电极包括电极本体和电联接件，其中电极本体包括电极底部和排布在电极底部上的阵列式结构探针；电联接件设置在电极底部，与阵列式结构探针分别位于电极底部相对的两个表面；阵列式结构探针包括若干沿着电极底部环形排布的探针，若干探针排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。本发明具有无需导电胶/膏、操作简单方便、阻抗低、长期稳定可靠、柔性、穿戴舒适安全、成本低、加工工艺简单的优点。

Description

一种采集脑电信号的柔性干式电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械和穿戴式电子领域的电极，具体涉及一种测量头发覆盖区域的脑电信号的柔性干式电极及其制备方法。

背景技术

脑电信号(EEG)是人体的基本信号，能反映人体的健康状况、认知活动等信息，是脑科学研究、人体生理研究和脑疾病临床诊断的重要参数。同时脑电信号的监测和干预也是脑机接口(BCI)研究及其应用的重要内容。头发覆盖区域的脑电信号采集，需要借助脑电电极，而获取高可靠性与高稳定性的脑电信号的关键是研发性能良好的脑电电极。尽管目前在脑电信号获取和处理方面技术取得了一定的进步，但可靠的脑电电极技术仍然存在巨大挑战。

获取高可靠性的脑电信号需要性能良好的脑电电极，要求脑电电极与头皮之间的接触电极小且稳定。目前，湿电极因其获取脑电信号的可靠性和高信噪比广泛应用于临床和科学研究中。湿电极技术采用导电凝胶降低电极与头皮之间的接触阻抗，但其要求在实验前对头皮进行相应的准备，时间成本和操作复杂度高；此外，导电凝胶使受试者的头发变脏变乱，且随着使用时间的变长而变硬，影响测试结果。湿电极的缺点限制新兴脑电应用的发展。

干电极技术在使用过程中不需要使用导电膏，具有即戴即用、方便快捷、适合长期测量的特性，促进脑电应用的发展。近年来干电极技术得到了科研人员的广泛关注。已有的干式电极中，接触式金属电极舒适度不高；MEMS阵列微针电极刺破角质层而具有感染的风险；有源电极制备工艺复杂；非接触式电极体积大，且因头发阻挡获取的脑电信号的信噪比低。现有干电极技术的缺点，使干电极技术不断发展。

发明内容

为了解决现有干电极存在的接触阻抗高、舒适度差的技术问题，本发明提供一种采集脑电信号的柔性干式电极，具有无需导电胶/膏、操作简单方便、阻抗低、长期稳定可靠、柔性、穿戴舒适安全、成本低、加工工艺简单的优点。

本发明还提供一种采集脑电信号的柔性干式电极的制备方法。

本发明柔性干式电极所采用的技术方案如下：采集脑电信号的柔性干式电极，包括电极本体和电联接件，其中电极本体包括电极底部和排布在电极底部上的阵列式结构探针；电联接件设置在电极底部，与阵列式结构探针分别位于电极底部相对的两个表面；阵列式结构探针包括若干沿着电极底部环形排布的探针，若干探针排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。

优选地，所述若干探针中，位于电极底部不同位置的探针具有不同的长度，位于电极底部中心的探针长度小于位于电极底部外周的探针长度，使排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。

优选地，所述若干探针具有一斜面，且位于电极底部不同位置的探针的末端具有不同的斜面，使排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。其中，具有不同的斜面，主要指具有不同斜率及不同方向的斜面。

优选地，所述电极本体的基材为橡胶或者硅胶，填料为碳系导电填料或金属系导电填料；导电填料占电极本体总体质量的比例为20％～60％。其中，碳系导电填料为炭黑、碳纳米管或石墨烯；所述金属系导电填料为银粉、铝镀银或镍粉。

本发明制备方法所采用的技术方案如下：采集脑电信号的柔性干式电极的制备方法，包括以下步骤：

S1、在橡胶或硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电橡胶或导电硅胶, 碳系导电填料或金属系导电填料占导电橡胶或导电硅胶的质量比为20％～60％；

S2、设计干式电极的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干圆柱体或锥体，若干圆柱体或锥体在扁平的片状结构表面呈环形排布，其末端形成凹陷状的三维弧形曲面；扁平的片状结构的另一表面的中心设有连接端；

S3、利用3D打印技术，根据步骤S2设计的三维模型，用步骤S1制备的导电橡胶或导电硅胶打印制备电极本体；或者采用模型浇注技术来制备电极本体；

S4、采用一体成型工艺，用导电金属在电极本体上浇注所述连接端以形成电联接件。

从以上技术方案可知，与现有技术相比，本发明设计的新型柔性干式电极，其优势在于该电极由两部分组成：可导电柔性干式电极本体和电联接件。其中可导电柔性干式电极本体采用柔性复合导电材料，兼具柔性和良导电性；电极本体分为阵列式结构探针和电极底部两部分；探针为圆柱体、锥体或其他形状，探针数量一般为10-25根，沿着电极底部环形排列，探针可穿过头发直接接触头皮；探针长度不同，排列成三维弧形曲面，可与头皮充分接触，且能抑制运动伪迹，提高采集信号的质量和稳定性；阵列式结构探针与电极底部为圆形倒角结构，在使用过程中不易被折断；电联接件采用一体成型工艺一体浇注，降低工艺的复杂度，并减少电联接件-电极本体的接触阻抗，且便于连接测量电路。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图之一；

图2为本发明的整体结构示意图之二；

图3为本发明探针呈弧形曲面排列的示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为单个探针的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明进行详细说明，但是本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、2所示，本实例提供一种用于采集头发覆盖区域的脑电信号的柔性干式电极，在结构上包括电极本体和电联接件3，其中电极本体包括电极底部2和排布在电极底部上的阵列式结构探针1，电极底部2呈扁平的片状结构；电联接件3设置在电极底部2的中心，与阵列式结构探针1分别位于电极底部2相对的两个表面。

阵列式结构探针1采用柔性导电复合材料制作，单个探针为圆柱体、锥体或其他形状，若干探针(一般采用10-25根)沿着电极底部2环形排布，位于电极底部2不同位置的探针具有不同的长度，位于电极底部2中心的探针长度小于位于电极底部2外周的探针长度，若干探针排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成三维弧形曲面(即呈球面状)，三维弧形曲面呈凹陷状，外周等高，最低点位于电极底部2中心，如图3、4，从而使阵列式结构探针1易与头皮接触。电极底部2用于连接阵列式结构探针1上的若干探针和电联接件3，若干探针的末端与电极底部2的边缘均采用圆形倒角结构，从而在使用过程中不易被折断。

为了便于阵列式结构探针1充分与头皮接触，本发明的探针还可以采用图5所示结构，探针呈圆柱体形状，其末端不是平的，而是具有一斜面；且位于电极底部2不同位置的探针的末端具有不同的斜面(例如斜面的方向不同、斜率不同)，从而使排布后的若干探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面，三维弧形曲面的外周等高，最低点位于电极底部2中心。

电极本体的制作材料为导电橡胶或导电硅胶，即基材为橡胶或者硅胶，填料为碳系导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨烯等)或金属系导电填料(如银粉、铝镀银、镍粉等)中的至少一种。导电颗粒占总体质量的比例范围，可选20％～60％，例如采用碳黑掺杂橡胶或者银粉掺杂硅胶，其掺杂质量比均可选20％～60％，再如可采用铝镀银粉掺杂硅胶，铝镀银粉占总体质量的30％。

电联接件3用于与测量电路连接，电联接件3采用一体成型工艺，一体浇注，与电极本体连接。电联接件3可采用金属导电按扣、金属导电连接片或其他金属连接部件，其金属材料为金、银、铜或铂等。

上述柔性干式电极的制备过程，主要包括如下步骤：

S1、在橡胶或硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电橡胶或导电硅胶, 碳系导电填料或金属系导电填料占导电橡胶或导电硅胶的质量比为20％～60％。

S2、设计干式电极的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干圆柱体或锥体，若干圆柱体或锥体的高度不等，在扁平的片状结构表面呈环形排布，其末端形成凹陷状的三维弧形曲面；扁平的片状结构的另一表面的中心设有连接端。

S3、利用3D打印技术，根据步骤S2设计的三维模型，用步骤S1制备的导电橡胶或导电硅胶打印制备电极本体。电极本体也可以采用传统的模型浇注技术来制备。

S4、采用一体成型工艺，用导电金属在电极本体上浇注步骤S2的连接端以形成电联接件。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，包括电极本体和电联接件，其中电极本体包括电极底部和排布在电极底部上的阵列式结构探针；电联接件设置在电极底部，与阵列式结构探针分别位于电极底部相对的两个表面；阵列式结构探针包括若干沿着电极底部环形排布的探针，若干探针排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。

2.根据权利要求1所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述若干探针中，位于电极底部不同位置的探针具有不同的长度，位于电极底部中心的探针长度小于位于电极底部外周的探针长度，使排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。

3.根据权利要求1所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述若干探针具有一斜面，且位于电极底部不同位置的探针的末端具有不同的斜面，使排布后所形成的探针阵列中探针的末端形成凹陷状的三维弧形曲面。

4.根据权利要求3所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述位于电极底部不同位置的探针的末端具有不同的斜面，包括具有不同斜率及不同方向的斜面。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述三维弧形曲面的外周等高，最低点位于电极底部的中心。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述探针为圆柱体或者锥体，探针的数量为10-25根。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述电极底部呈扁平的片状结构，若干探针的末端与电极底部的边缘均采用圆形倒角结构。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述电极本体的基材为橡胶或者硅胶，填料为碳系导电填料或金属系导电填料；导电填料占电极本体总体质量的比例为20％～60％。

9.根据权利要求8所述的采集脑电信号的柔性干式电极，其特征在于，所述碳系导电填料为炭黑、碳纳米管或石墨烯；所述金属系导电填料为银粉、铝镀银或镍粉。

10.权利要求1-4中任一项所述采集脑电信号的柔性干式电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在橡胶或硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电橡胶或导电硅胶,碳系导电填料或金属系导电填料占导电橡胶或导电硅胶的质量比为20％～60％；

S2、设计干式电极的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干圆柱体或锥体，若干圆柱体或锥体在扁平的片状结构表面呈环形排布，其末端形成凹陷状的三维弧形曲面；扁平的片状结构的另一表面的中心设有连接端；

S3、利用3D打印技术，根据步骤S2设计的三维模型，用步骤S1制备的导电橡胶或导电硅胶打印制备电极本体；或者采用模型浇注技术来制备电极本体；

S4、采用一体成型工艺，用导电金属在电极本体上浇注所述连接端以形成电联接件。