CN111513703B - 可延展生理信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种可延展生理信号检测装置，包括多个电极单元和柔性衬底，每个电极单元包括支撑框架和电极，柔性衬底上设置有多个安装位，每一个安装位上安装有一个电极单元；支撑框架包括多个支撑分支和中心连接部，每个支撑分支的第一端部分别与中心连接部连接在一起、第二端部分别固定安装到所在安装位四周柔性衬底的对应位置上，多个支撑分支用于支撑中心连接部向远离柔性衬底的方向凸起形成凸起结构，中心连接部位于凸起结构的顶部；支撑框架用于承载电极，电极中至少位于中心连接部的部分用于与生物体的待测位置接触，以对待测位置进行检测得到生理信号。本公开实施例所提供装置，可靠性和稳定性高，检测准确性好，对生物体的约束小。

Description

可延展生理信号检测装置

技术领域

本公开涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种可延展生理信号检测装置。

背景技术

人体的大量生理活动以生物电的形式进行，因此生理电信号是表征生理参数的重要指标，如心电、脑电、肌电、眼电等。生理电信号可通过电极进行采集，所形成图谱中的波形特征，是健康监测、疾病诊治的重要依据。

人体作为容积导体，其电势在空间内产生扩布，可在远离信号源一定位置采集生物电信号。但是对于深源电信号如心电、脑电等，需要尽量缩短电极与信号源的距离以提高信号质量，因此检测装置中使用植入式电极在疾病的准确定位和治疗方面具有更大的潜力。

但相关技术中，检测装置中所使用的电极存在测量范围小，难以适应生物体体表及组织的复杂形貌，以及由于生物体的运动、生物体组织的周期性脉动造成电极的可靠性降低等问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种可延展生理信号检测装置，以解决上述技术问题。

根据本公开的一方面，提供了一种可延展生理信号检测装置，用于植入生物体的体内，所述装置包括多个电极单元和柔性衬底，每个电极单元包括支撑框架和电极，

所述柔性衬底上设置有多个安装位，每一个安装位上安装有一个电极单元；

所述支撑框架包括多个支撑分支和中心连接部，每个支撑分支的第一端部分别与所述中心连接部连接在一起，每个所述支撑分支的第二端部分别固定安装到所在安装位四周所述柔性衬底的对应位置上，所述多个支撑分支用于支撑所述中心连接部向远离所述柔性衬底的方向凸起形成凸起结构，所述中心连接部位于所述凸起结构的顶部；

所述支撑框架用于承载所述电极，所述电极中至少位于所述中心连接部的部分用于与生物体的待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号。

在一种可能的实现方式中，所述电极包括检测电极、外接电极和互连导线，

所述检测电极部分或全部位于所在支撑框架的中心连接部，且所述检测电极中位于所述中心连接部的部分与所述待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号；

所述外接电极位于所述装置中任意一个支撑框架的任意一个支撑分支的第二端部，用于与信号分析设备连接，以将所述生理信号发送至所述信号分析设备；

所述互连导线位于支撑分支上，用于实现检测电极与所述外接电极之间的电学连接。

在一种可能的实现方式中，每个电极的所述外接电极所在的支撑分支包括：靠近所述柔性衬底同一个侧边的多个支撑分支中的任意一个。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

介电层，用于覆盖在所述互连导线的表面，实现所述互连导线之间的电学隔离，以及实现所述互连导线与所述生物体之间的隔离。

在一种可能的实现方式中，所述电极的厚度小于或等于200μm，所述互连导线的宽度小于或等于50μm，所述介电层的厚度小于或等于1μm。

在一种可能的实现方式中，所述装置中的所有支撑框架为一体结构。

在一种可能的实现方式中，所述安装位包括设置于所述柔性衬底上的凹槽或通孔，所述安装位的垂直于所述柔性衬底的法向的截面形状包括圆形、椭圆形、正方形、六边形中的至少一种。

在一种可能的实现方式中，所述支撑框架的厚度小于或等于1μm，所述支撑分支未与所述柔性衬底接触的部分的宽度小于或等于300μm，所述支撑分支的第二端部的宽度大于未与所述柔性衬底接触的部分的宽度、且宽度小于或等于500μm，

所述柔性衬底的厚度小于或等于100μm，所述安装位的面积小于或等于5mm²。

在一种可能的实现方式中，所述凸起结构的高度小于或等于500μm，所述安装位的面积是所述凸起结构的平面展开面积25％～75％。

在一种可能的实现方式中，所述多个电极单元呈预设方式排布，所述预设方式与所述待测位置的形状相匹配，

其中，所述预设方式包括以下任一种：正方形阵列排布、矩形阵列排布、圆形阵列排布、环状阵列排布。

本公开实施例所提供的可延展生理信号检测装置，与生物体待测位置的紧密贴合，与待测位置贴合的可靠性和稳定性高，所检测到的生理信号的准确性好，对生物体的约束小，便于手术植入操作，对生物体的伤害小。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置的结构示意图。

图2a示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极的结构示意图。

图2b示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极中介电层的结构示意图。

图2c示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极的分布示意图。

图3示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极单元的结构示意图。

图4示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极单元的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置的结构示意图。如图1所示，该装置可以植入生物体的体内，该装置包括多个电极单元1和柔性衬底2，每个电极单元1包括支撑框架11和电极12。

所述柔性衬底2上设置有多个安装位21，每一个安装位21上安装有一个电极单元1。

所述支撑框架11包括多个支撑分支111和中心连接部112，每个支撑分支111的第一端部1’分别与所述中心连接部112连接在一起，每个所述支撑分支111的第二端部2’分别固定安装到所在安装位21四周所述柔性衬底2的对应位置上，所述多个支撑分支111用于支撑所述中心连接部112向远离所述柔性衬底2的方向凸起形成凸起结构113，所述中心连接部112位于所述凸起结构的顶部。

所述支撑框架11用于承载所述电极12，所述电极12中至少位于所述中心连接部112的部分用于与生物体的待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号。

在本公开实施例中，生物体可以是能够检测到生理信号的人体、动物等。所检测到的生理信号可以是心电信号、脑电信号、肌电信号、眼电信号等生理信号，待测位置可以是对应于生理信号的生物体体内的位置，如神经束、肌肉组织、脊柱等。

在本公开实施例中，多个电极单元在支撑框架的作用下呈三维网状结构，使得电极12中位于中心连接部112的部分可以与待测位置接触，其余部分不接触或很少部分接触到待测位置，降低了装置对生物体体表和/或体内组织的约束，减少了装置为生物体所带来的不便和伤害。装置可以贴附于待测位置，并随着生物体的运动、生物体组织的周期性脉动而发生形变和/或位移等变化，如离面位移。这样，在装置变化的同时电极单元保持三维网状结构状态，与待测位置的紧密贴附，保证检测到的生理信号的准确性、可靠性。

在本公开实施例中，由于采用柔性衬底、支撑框架为三维网状结构，使得装置具备良好的柔性和可延展性，使其更能与待测位置紧密贴合，也便于将装置植入生物体内降低手术操作的难度。且装置通过多个电极单元进行检测，可以根据需要对电极单元的数量进行设置，能够适用于小面积、大面积的生理信号检测需求。

在本公开实施例中，支撑框架的材料可以是柔性介电材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)等兼具柔性和介电性能的材料，本公开对此不作限制。

在本公开实施例中，柔性衬底的材料可以是具有柔性、弹性模量与生物体的待测位置相近或相同、具备良好加工性能的材料。柔性衬底可以是蜂窝状、锯齿状等结构化衬底形式。

本公开实施例所提供的可延展生理信号检测装置，与生物体待测位置的紧密贴合，与待测位置贴合的可靠性和稳定性高，所检测到的生理信号的准确性好，对生物体的约束小，便于手术植入操作，对生物体的伤害小，能在生物体运动、生物体组织周期性脉动时与待测位置紧密贴附。

在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括信号分析设备，用于与所述电极单元连接，获取所述电极单元检测到的生理信号，并对所述生理信号进行处理、分析，得到生物体对应于待测位置的生理数据。

图2a示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图2a所示，所述电极12可以包括检测电极121、外接电极122和互连导线123。

所述检测电极121部分或全部位于所在支撑框架11的中心连接部112，且所述检测电极121中位于所述中心连接部112的部分与所述待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号。

所述外接电极122位于所述装置中任意一个支撑框架11的任意一个支撑分支111的第二端部2’，用于与信号分析设备连接，以将所述生理信号发送至所述信号分析设备。

所述互连导线123位于支撑分支111上，用于实现检测电极121与所述外接电极122之间的电学连接。

在该实现方式中，电极由导电性能好、生物兼容性好、化学稳定性高的材料构成，例如，金等。

图2b示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极中介电层的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图2b所示，所述装置还可以包括介电层3。介电层3位于所述支撑分支111上且覆盖所述互连导线123的表面，实现所述互连导线123之间的电学隔离，以及实现所述互连导线与所述生物体之间的隔离。

在该实现方式中，介电层的材料可以是弯曲刚度小、介电性能好的材料，如聚酰亚胺(Polyimide，PI)。

在一种可能的实现方式中，每个电极12的所述外接电极122所在的支撑分支111包括：靠近所述柔性衬底2同一个侧边的多个支撑分支111中的任意一个。这样，便于装置通过外接电极与外部的信号分析设备连接。

举例来说，图2c示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极的分布示意图。如图2c所示，为进一步便于连接以及节省互连导线，如图1所示，假定装置为包括5×5阵列分布的25个电极单元，对于某一行所在的五个电极单元，其5个电极单元的外接电极122均放置在柔性衬底最外侧的同一个支撑分支(如图左上角第一个)的第二端部上。每个电极单元的检测电极分别放置于中心连接部，检测电极和外接电极通过互连导线123连接。这样，仅需通过如图左侧第一列五个支撑分支的第二端部的区域与信号分析设备连接，便于装置与外部的信号分析设备连接。

在一种可能的实现方式中，电极各组成检测电极、外接电极以及互连导线的厚度可以相同。如图2b所示，所述电极12的厚度d1小于或等于200μm，所述互连导线123的宽度d2小于或等于50μm，所述介电层3的厚度d3小于或等于1μm，所述介电层3的宽度大于所述电极12的宽度。

在该实现方式中，介电层3的宽度大于所述电极12的宽度可以保证介电层对互连导线的电学隔离。

在一种可能的实现方式中，所述装置中所有支撑框架11为一体结构。也即，多个支撑框架的平面展开形状为片状、支撑框架之间是互相连接在一起的。

在该实现方式中，将所有支撑框架设置为一体结构，便于制造装置的加工，简化了加工所需进行的操作，且设置为一体结构更有利于装置在生物体内保持稳定的三维网状结构。

图3示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极单元的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图3所示，在支撑分支111为4个时，所述支撑分支可以按照图3所示的“相互垂直交叉”连接在中心连接部112上。

其中，图4示出根据本公开一实施例的可延展生理信号检测装置中电极单元的结构示意图。在支撑分支大于4个时，如图4所示，所述支撑分支可以相互交叉连接在中心连接部112上。

通过上述方式，即可以保证支撑框架对电极的承载作用，也可以保证支撑框架在支撑分支的维持下稳定其三维网状结构。支撑分支的数量越多，三维网状结构越稳定。

在一种可能的实现方式中，所述安装位21包括设置于所述柔性衬底2上的凹槽(如图1所示)或通孔中的任一种，所述安装位21的垂直于所述柔性衬底的法向的截面形状包括圆形、椭圆形、正方形(如图1所示)、六边形中的至少一种。

在该实现方式中，将安装位设置为凹槽或通孔有利于凸起结构在生物体运动、生物体组织周期性脉动时产生位移(该位移可以包括凸起结构向靠近安装位底部的方向或远离安装位底部的方向移动)，保证接触的稳定性和可靠性，且保证凸起结构能够保持稳定的凸起状态；同时，也可以缩减柔性衬底部分位置的厚度，提高装置的柔性和可延展性。

在一种可能的实现方式中，所述支撑框架11的厚度小于或等于1μm(如图2b所示)，所述支撑分支111未与所述柔性衬底2接触的部分的宽度d4小于或等于300μm(如图3所示)，所述支撑分支111的第二端部2’的宽度d5大于未与所述柔性衬底2接触的部分的宽度d4、且宽度d5小于或等于500μm。

在一种可能的实现方式中，所述柔性衬底2的厚度小于或等于100μm，所述安装位21的面积小于或等于5mm²。

通过上述对柔性衬底、支撑框架的尺寸设置可以使得装置更易于植入生物体内，且本领域技术人员可以根据生物体待测位置的面积、待测位置在生物体中的所属区域等对柔性衬底和支撑框架的尺寸进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，如图1所示，所述凸起结构113的高度小于或等于500μm，所述安装位的面积是所述凸起结构的平面展开面积25％～75％。

在该实现方式中，在支撑分支为4个时，如图3所示，支撑框架在第一方向上去除与柔性衬底接触部分(支撑分支的第二端部)的长度Y，与支撑框架在第一方向的垂直方向上去除与柔性衬底接触部分(支撑分支的第二端部)的长度X的乘积可以为凸起结构的平面展开面积。也即，凸起结构的展开面积为支撑框架展开后去除支撑分支的第二端部后所构成的最大形状的面积，该最大形状的具体形状与安装位的形状一致。

在该实现方式中，安装位的面积可以为其在柔性衬底上所占用的面积，如图1所示，在安装为四边形通孔时，通孔的面积可以为安装位的面积。

通过上述方式，更有利于装置三维网状结构的稳定和可靠。

在一种可能的实现方式中，所述多个电极单元呈预设方式排布，所述预设方式与所述待测位置的形状相匹配。其中，所述预设方式包括以下任一种：正方形阵列排布、矩形阵列排布(如图1所示)、圆形阵列排布、环状阵列排布。可以根据实际需要对多个电极单元的排布方式进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，装置可以直接贴附在待测位置上，也可以通过缠绕等方式与待测位置紧密结合安装，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，装置各部分(包括电极单元、柔性衬底、介电层)所使用的材料还可以具备生物可降解的性能。这样，在装置用于植入生物体内部时，装置所用的生物体内可降解的材料，可以保证装置在完成需要的检测之后，可以在生物体内降解，并随代谢排出生物体体外，避免由于取植入生物体内的装置为生物体所带来的二次伤害。

本公开还提供一种可延展生理信号检测装置的制造方法，该方法可以包括以下步骤一至步骤七。

步骤一，在硬质基底(如硅片、玻璃片等)上制备牺牲层(其材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，简称PMMA等)，而后在牺牲层上旋涂制备临时支撑层。

步骤二，在临时支撑层上进行蒸镀、图案化制备出电极。

步骤三，在临时支撑层上进行旋涂、图案化制备出介电层，得到待转印结构，待转印结构包括临时支撑层、电极和介电层。

步骤四，利用预先制备的支撑框架模具，浇筑制备出支撑框架。

步骤五，利用转印技术，将待转印结构转印至印章，去除临时支撑层，再将电极和介电层转印至支撑框架上，得到待定型结构。

步骤六，将待定型结构固定在已经存在预应变的加载台上(也即将支撑分支的第二端部分别固定到加载台)，释放加载台的预应变，形成凸起结构。

步骤七，对支撑框架进行定型处理后，安装至预先制备好的柔性衬底上。其中，定型处理可以根据其材料选择合适的处理方式(如采用先加热，待应力松弛后冷却定型)，本公开对此不作限制。

上述方法中仅是本公开提供的一种装置制造的示例，本领域技术人员可以根据装置的结构、尺寸，采用其他方式进行装置的制造，本公开对此不作限制。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了可延展生理信号检测装置及其制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各部分、各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种可延展生理信号检测装置，其特征在于，用于植入生物体的体内，所述装置包括多个电极单元和柔性衬底，每个电极单元包括支撑框架和电极，

所述柔性衬底上设置有多个安装位，每一个安装位上安装有一个电极单元；

所述支撑框架包括多个支撑分支和中心连接部，每个支撑分支的第一端部分别与所述中心连接部连接在一起，每个所述支撑分支的第二端部分别固定安装到所在安装位四周所述柔性衬底的对应位置上，所述多个支撑分支用于支撑所述中心连接部向远离所述柔性衬底的方向凸起形成凸起结构，所述中心连接部位于所述凸起结构的顶部；

所述支撑框架用于承载所述电极，所述电极中至少位于所述中心连接部的部分用于与生物体的待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号，

其中，所述多个电极单元在所述支撑框架的作用下呈三维网状结构。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极包括检测电极、外接电极和互连导线，

所述检测电极部分或全部位于所在支撑框架的中心连接部，且所述检测电极中位于所述中心连接部的部分与所述待测位置接触，以对所述待测位置进行检测得到生理信号；

所述外接电极位于所述装置中任意一个支撑框架的任意一个支撑分支的第二端部，用于与信号分析设备连接，以将所述生理信号发送至所述信号分析设备；

所述互连导线位于支撑分支上，用于实现检测电极与所述外接电极之间的电学连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个电极的所述外接电极所在的支撑分支包括：靠近所述柔性衬底同一个侧边的多个支撑分支中的任意一个。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

介电层，位于所述支撑分支上且覆盖在所述互连导线的表面，实现所述互连导线之间的电学隔离，以及实现所述互连导线与所述生物体之间的隔离。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电极的厚度小于或等于200μm，所述互连导线的宽度小于或等于50μm，所述介电层的厚度小于或等于1μm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中的所有支撑框架为一体结构。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安装位包括设置于所述柔性衬底上的凹槽或通孔，所述安装位的垂直于所述柔性衬底的法向的截面形状包括圆形、椭圆形、正方形、六边形中的至少一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑框架的厚度小于或等于1μm，所述支撑分支未与所述柔性衬底接触的部分的宽度小于或等于300μm，所述支撑分支的第二端部的宽度大于未与所述柔性衬底接触的部分的宽度、且宽度小于或等于500μm，

所述柔性衬底的厚度小于或等于100μm，所述安装位的面积小于或等于5mm²。

9.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述凸起结构的高度小于或等于500μm，所述安装位的面积是所述凸起结构的平面展开面积25％～75％。

10.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述多个电极单元呈预设方式排布，所述预设方式与所述待测位置的形状相匹配，

其中，所述预设方式包括以下任一种：正方形阵列排布、矩形阵列排布、圆形阵列排布、环状阵列排布。

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