CN111493865B - 一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及阵列 - Google Patents

一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，包括衬底，衬底为柔性透明衬底，还包括形成在所述柔性透明衬底上的用于电压信号放大和电压‑电流信号转换的有源电极跟随电路；有源电极跟随电路由并联的多路电路组成，每路电路由多个透明薄膜晶体管并联而成，每个透明薄膜晶体管的栅电极作为与脑组织直接接触的电极触点，透明薄膜晶体管的栅电极的材料选自透明ITO。皮层脑电电极能够在核磁共振环境下采集脑电信号，并具有透明透光透声得优点，适合大脑的磁、电、声、光等的多模态同时观测。还开了一种皮层脑电电极阵列，该电极阵列具有高透明性，并采用有源技术，将电压信号变换为电流信号，避免MRI电压噪声的引入。

Description

一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及阵列
技术领域
本发明属于生物医学领域，具体涉及一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及阵列。
背景技术
脑电信号是重要的生理电信号。它是一种非周期性信号，由不同频率的振荡组成，且这些振荡具有特征频率范围和空间分布，与大脑的不同功能状态有关，并代表神经网络上特征的同步活动。通过获取和分析特定频率的脑电信号，可以了解生物体所处的生理状态或进行疾病的检测和诊断。皮层脑电图(electrocorticography，简称ECoG)是一种全植入非穿刺式脑电信号检测方式，通过将电极植入脑部贴附在硬脑膜上方或者下方，记录神经元的电生理活动。相较于非侵入式的EEG(electroencephalograph，简称EEG)，ECoG的时间和空间分辨率高，且不受肌电信号和体液传导的影响，能满足临床对脑电信号精确检测、疾病诊断和疾病治疗的要求。相较于侵入式的穿刺型皮质内电极IRIs(IntracorticalRecordingInterfaces，简称IRIs)，ECoG不需刺入脑组织，对脑组织的伤害较小。因此在脑电信号的检测和脑科学研究中，ECoG电极有着广阔的应用前景。
对大脑进行多模态刺激(光、电、磁、超声等刺激)和同步的多模态记录(皮层脑电ECoG、核磁共振实时扫描图、血流分布等)的方式得到更多的脑活动信息，是目前的研究热点。例如光遗传学技术就是用光刺激预先确定的神经元并实时记录脑电活动信息和脑的核磁共振三维图。多模态刺激和多模态记录要求电极能够同时满足各种应用，例如在光遗传学技术中，需要电极不仅导电可记录脑电信号，而且必须是光学透明可以透过刺激的激光，以使光学刺激的目标皮层区域最大化，同时还需满足核磁共振MRI(Magnetic ResonanceImaging，简称MRI)磁兼容需求。在核磁共振MRI中观测脑活动包括血氧等，需要电极及其电路具有磁兼容特性。核磁共振MRI的磁场非常大，如3.5T或7T甚至以上，不仅存在静态磁场、切变梯度磁场，还有激发射频场，电磁环境非常复杂，电磁噪声非常大。根据计算，ECoG信号幅度在100μV左右，而7T MRI下电磁噪声在0.1-10mV左右，远高于信号幅度。所以核磁共振MRI中观测脑活动的ECoG电极及其后续电路必须是磁兼容的，包括低涡流、低噪声、低伪影等。
传统的无源ECoG电极为三明治结构，即衬底层-金属电极-封装层，包括电极阵列和阵列集束连线组成，电极阵列贴敷在大脑皮层，裸露的金属电极触点直接接触皮层并采集接收极微弱的脑电信号，然后通过集束的连线通过颅骨连接到最近的前置放大器进行放大，然后传出进行采样传输。集束的长连线易受噪声的影响，线越长收集到的信号噪声就越大。传统的无源ECoG电极无法满足大脑多模态研究，主要是：(1)金属电极是不透明的，会遮挡光刺激的光路；(2)金属电极点阵电阻较低，在MRI下容易引起大的涡流升温，细胞在超过42度时会凋亡，所以MRI环境下多采用高阻的电极，如碳电极，但电极过大的电阻会显著降低本就微弱的脑电信号幅度；(3)金属电极会产生MRI伪影，遮挡该部位大脑核磁共振图；(4)在MRI环境中金属电极和集束连线会显著收集MRI噪声，必须采用特殊的磁兼容电路。因此，设计一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电ECoG电极阵列非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及阵列。该电极阵列具有高透明性，并采用有源技术，将电压信号变换为电流信号，避免MRI电压噪声的引入。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，包括衬底，所述衬底为柔性透明衬底，还包括形成在所述柔性透明衬底上的皮层脑电电极触点阵列、用于电压信号放大和电压-电流信号转换的有源电极跟随电路；
所述有源电极跟随电路由并联的多路电路组成，每路电路由多个透明薄膜晶体管并联而成，每个透明薄膜晶体管的栅电极并联后与皮层脑电电极触点阵列一个阵点互连，所述透明薄膜晶体管的栅电极的材料、皮层脑电电极触点阵列和电路互连线选自透明导电陶瓷氧化铟锡(ITO)。
该皮层脑电电极中，为每个电极触点配备一个由透明薄膜晶体管构成的有源电极跟随电路，利用透明薄膜晶体将电压触点采集的脑电电压信号(栅压)转换为电流信号(源漏电流)，并实现初步放大，采用透明薄膜晶体管的通断实现了有源矩阵寻址方案，进行电极的逐行选通，实现了输出导线在同一列上的多路复用。
该皮层脑电电极中，透明薄膜晶体管的栅电极的材料选自透明导电陶瓷ITO，ITO是一种透明导电的氧化物半导体材料，它具有稳定的化学性质，是一种既具有良好导电性，又能够透光的材料，同时也属于磁兼容材料，在MRI扫描中具有较小的伪影。
优选地，所述透明薄膜晶体管的有源层材料为ZnO。ZnO属于透明导电氧化物，以其透明性以及高场效应迁移率被广泛应用于TFT的有源层。由该材料制备而成的氧化物薄膜晶体管具有较高的透明度、较快的响应速度。同时，该材料也不会在MRI环境下产生涡流，属于磁兼容材料。在1kHz时，ECoG电极的电化学阻抗在1-600kΩ内。
优选地，组成所述有源电极跟随电路的所有透明薄膜晶体管的栅电极聚合并联，并与皮层脑电电极触点阵列一个阵点互连，形成一个电极触点。
为了确保与脑细胞的良好接触，所述ITO电极触点表面包覆有透明氯化银凝胶。
为了实现绝缘，所述有源电极跟随电路除电极触点外的其他表面覆盖氧化铝密封绝缘层。
优选地，所述柔性透明衬底是具有较轻密度和较高硬度的柔性透明薄片，包括超薄柔性玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸脂(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等透明塑料材料。
优选地，所述皮层脑电电极还包括与有源电极跟随电路连接的电极转换接口。该电极转换接口连接FPC，FPC的另一端可以直接由ZIF SMT FPC可插拔插座连接至PCB(Printed Circuit Board)板或其他电缆通用接口插座，使脑电信号由外部电路进行进一步的处理。
所述有源电极跟随电路与所述电极转换接口之间的集束电路连线、有源电极跟随电路的透明薄膜晶体管之间的电路连线均为透明材料ITO；
其中，所述集束电路连线包括连接透明薄膜晶体管漏级的选通电源线、透明明薄膜晶体管源级的输出导线。
所述电极转换接口通过排线压焊技术实现ITO阵列集电路连线与扁平电缆通用接口插座的电连接。
一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极阵列，所述皮层脑电电极阵列由上述皮层脑电电极阵列排布而成，电极阵列中每一行的皮层脑电电极的漏级由同一根电源线控制，通过控制每一行电极的漏级电压以实现每行皮层脑电电极的选通。
优选地，所述皮层脑电电极阵列的每路输出还包括RC高通滤波器。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
(1)该皮层脑电电极中皮层脑电电极阵列，衬底、有源电极跟随电路、以及集束电路连线均是光学透明的，所以不会遮挡光刺激光路，也不会产生明显的MRI伪影，可以满足在MRI环境下开展光遗传学观测、脑电信号同步采集以及核磁共振CT观测的多模态观测的需求。
(2)栅电极和集束电路连线均采用具有千欧级电阻的ITO透明金属氧化物陶瓷，可以有效避免MRI涡流的产生，可以满足在MRI环境下开展光、电、磁刺激、脑电信号同步采集以及核磁共振CT观测的多模态观测的需求。
(3)为每个电极触点配一个有源电极跟随电路，利用透明薄膜晶体管就近将电压信号变为电流信号，并实现初步放大，不但解决了传统无源电极触点和电极阵列电阻大、信号损耗大的问题，而且传输的电流信号，受MRI电磁干扰较小，消减了电极阵列含触点和电极阵列集束接收MRI电压噪声的问题；采用透明薄膜晶体管的通断实现了有源矩阵寻址方案，进行电极的逐行选通，实现了输出导线在同一列上的多路复用，解决了高密度电极阵列连线过多的难题。
(4)还为每个有源电极跟随电路附加一个简单的RC高通滤波器，可以就近高通滤波，避免无用噪声信号引入，提高信噪比。
(5)具有较轻密度和较高硬度的柔性透明薄片衬底，以及氧化铟锡(ITO)透明金属氧化物陶瓷，都具有刚性和较低声阻抗，可以通透超声波振动，实现可以满足在MRI环境下开展超声刺激、脑电信号同步采集以及核磁共振CT观测的多模态观测的需求。
(6)整个电极阵列系统可以满足在MRI环境下，同步开展多模态观察和测量的技术需求，包括光、电、磁、超声的刺激、脑电信号同步采集光遗传学的观测以及核磁共振CT观测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例提供的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及外部电路整体结构图；
图2实施例提供的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极阵列的结构示意图；
图3是实施例提供的ZnO-TFT的器件结构；
图4是实施例提供的有源透明ECoG电极阵列的实物图；
图5是实施例提供的ZnO-TFT的I-V特性曲线及跨导；
图6是实施例提供的ZnO-TFT的测试结果图，其中，(a)为信号波形图，(b)为傅里叶变换后得到的频谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是实施例提供的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极及外部电路整体结构图。如图1所示，该皮层脑电电极的应用环境包含电极触点的前置放大器(Electrode andpre-amplifier)、将前置放大器的输出电压转换成电压的电流-电压转换器(I-V convert)以及连接电流-电压转换器的模数转换器(ADC)。电流-电压转换器和模数转换器组成皮层脑电电极的外部处理电路，皮层脑电电极由柔性电路板(FPC)连接至外部处理电路。
图2实施例提供的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极阵列的结构示意图，图4是实施例提供的有源透明ECoG电极阵列的实物图。如图2和图4所示，将ZnO-TFT制作工艺与ECoG电极制作相结合，设计了3*4电极阵列版图。按照功能划分，有源ECoG电极可以分为电极触点、前置放大器(也就是有源电极跟随电路)、前置放大器与电极转换接口之间的集束电路连线形成的电极通道和电极转换接口四个部分，整个电极阵列的大小为5.2*5.4mm。
本实施例中，电极触点由ZnO-TFT的栅极电极构成，可以与脑组织直接接触，材料为透明材料ITO，形状是对角线长为200μm的正六边形，电极阵列中ECoG电极之间的横向间隔为350μm，纵向间隔为625μm。
前置放大器由4个宽长比W/L＝20μm/5μm、阈值电压VT＝-5V的ZnO-TFT并联构成，而每一个W/L＝20μm/5μm的TFT由4个W/L＝5μm/5μm的TFT并联形成。
如图3所示，ZnO-TFT的结合和制备过程为：由于ZnO的导电性能容易受到水和空气的影响，所以TFT采用有源层放在器件顶部的顶栅结构。选用高透明性的4英寸圆形康宁玻璃作为衬底材料，第一层是以透明ITO为导电材料的源漏电极层，第二层是以ALD(Atomiclayer deposition，简称ALD)沉积的20nm厚ZnO作为有源层沟道，为了避免ZnO与组织直接接触影响其导电性能，同时在ZnO上沉积了厚度为10nm的Al2O3(氧化铝)作为保护层。最顶层是20nm厚的Al2O3栅氧层和100nm的ITO栅极电极层。由于ZnO-TFT使用的材料均是磁兼容的，所以皮层脑电电极也适用于磁共振环境。
利用ZnO-TFT的传输特性，将电压信号转化为电流信号，传输过程中受到的干扰更小，系统的整体的噪声更低，得到的脑电信号的信噪比更高。现有的ZnO-TFT制作工艺下阈值电压最小约-5V，当VT＝-5V时，TFT管的跨导为8μS。由于脑电信号的偏置为0V，本发明采用耗尽型的TFT管，由四个W/L＝20μm/5μm的TFT(跨导约为107μS)进行并联。输入一个直流偏置为0V、幅度为100μV、频率为100Hz的正弦电压信号，输出电流的直流为284μA，幅度为10.7nA。
ZnO-TFT管的栅极连接电极触点，漏级连接电源线，源级连接输出导线，即电极通道。电极输出连接15通道的FPC，FPC的1～12通道为电极输出通道，13～15通道为TFT漏级的电源线。FPC的另一端由ZIF SMT FPC可插拔插座连接至PCB板。
每一行所在的4个电极的前置放大器的漏级是由同一根电源线控制的，当TFT的漏级电压为正时，TFT管导通，该行电极输出放大的电流信号，当TFT的漏级电压为0时，TFT不导通，该行电极输出信号为0。通过控制每一行电极的漏级电压，可以实现每行电极的选通。
实际中使用的有源透明ECoG电极阵列具有很好的透明性，高达85％以上。
上述电极由于高透明性，可以用于光刺激的同时记录电生理信号的光、电结合的多模态研究，由于电极材料的磁兼容性，可以用于磁共振环境下电生理信号与脑磁图结合的多模态研究。同时，可以通过改变ZnO-TFT漏级供电的通道控制TFT管的开启和关闭，从而实现电极的逐行选通。
对于本实施例提供的有源透明ECoG电极阵列的电学性能，利用半导体测试仪测试了该阵列的I-V特性及跨导gm，结果如图5所示。其中65W、70W、75W为制造过程中氘处理的功率。由图5可见器件可正常工作且在Vgs小于5V时跨导gm也基本稳定。
为检测本实施例提供的有源透明ECoG电极阵列结构具有采集并放大信号的能力，利用SKX-8000微弱电生理信号模拟仪模拟脑电信号，对ZnO-TFT电极阵列进行了测试。随后将电极输出端接入I-V转换及滤波电路，并通过自制的基于针对脑电采集的ADC芯片ADS1299的采集设备来对信号进行采集，由上位机接收数据并进行处理。使用探针台来对电极施加用于测试的信号。探针分别戳在电极触点、源极通道和漏极通道，即TFT管的栅极、源极、漏极。首先将探针连接到半导体测试仪得到Id-Vg(漏极电流-栅极电压)关系曲线，确定TFT管是可以正常工作的，随后通过万用表测量TFT各端电压确定TFT管导通。随机选择第2个TFT管的测试结果如图6所示。其中第一个通道为输出信号，第二个通道为输入信号。测试信号频率为30Hz，幅度为500μV，并对输出信号进行滤直流及20-50Hz的滤波处理。图6(a)为信号波形图，图6(b)为傅里叶变换后得到的频谱图。虽然有噪声成分的干扰，但是采集到的信号波形也可以分辨出与原始信号的频率相近，且幅度有明显增大。
上述皮层脑电电极阵列能够在核磁共振环境下采集脑电信号，并具有透明透光透声得优点，适合大脑的磁、电、声、光等的多模态同时观测。以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，包括衬底，其特征在于，所述衬底为柔性透明衬底，还包括形成在所述柔性透明衬底上的皮层脑电电极触点阵列、为每个电极触点设置一个透明有源电极跟随电路；
所述有源电极跟随电路用于电压信号放大和电压-电流信号转换，由并联的多路电路组成，每路电路由多个透明薄膜晶体管并联而成，每个透明薄膜晶体管的栅电极并联后与皮层脑电电极触点阵列一个阵点互连，所述透明薄膜晶体管的栅电极的材料、皮层脑电电极触点阵列和电路互连线选自透明导电陶瓷氧化铟锡。
2.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述透明薄膜晶体管的有源层材料为ZnO。
3.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，组成所述有源电极跟随电路的所有透明薄膜晶体管的栅电极聚合并联，并与皮层脑电电极触点阵列一个阵点互连，形成一个电极触点。
4.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述电极触点表面包覆有透明氯化银凝胶。
5.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述有源电极跟随电路除电极触点外的其他表面覆盖氧化铝密封绝缘层。
6.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述柔性透明衬底包括超薄柔性玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。
7.如权利要求1所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述皮层脑电电极还包括与有源电极跟随电路连接的电极转换接口。
8.如权利要求7所述的可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极，其特征在于，所述有源电极跟随电路与所述电极转换接口之间的集束电路连线、有源电极跟随电路的透明薄膜晶体管之间的电路连线均为透明材料氧化铟锡；
其中，所述集束电路连线包括连接透明薄膜晶体管漏级的选通电源线、透明薄膜晶体管源级的输出导线。
9.一种可用于多模态观测大脑的皮层脑电电极阵列，其特征在于，所述皮层脑电电极阵列由权利要求1~6任一项所述的皮层脑电电极阵列排布而成，电极阵列中每一行的皮层脑电电极的漏级由同一根电源线控制，通过控制每一行电极的漏级电压以实现每行皮层脑电电极的选通。
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