CN111708436A - 一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极及其制备方法 - Google Patents

一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极及其制备方法。所述电极包括：光纤，所述光纤为石英无包层光纤，所述光纤上负载有传感组分，所述传感组分的材料为合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料。本发明通过结合光纤背向散射技术，利用聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶对电信号的响应，实现了柔性非侵入式的脑电波探测；提高了电极的测量精度和准确度；电极材料化学性质稳定，对皮肤友好，可以循环使用；制备方法工艺复杂度低，可实现大批量生产。因此本发明在柔性非侵入电生理传感器尤其是非侵入式脑机接口电极领域存在广泛的应用价值。

Description

一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极及其制备方法
技术领域
本发明属于脑机接口技术领域，具体涉及一种柔性非侵入式光纤传感型 脑机接口电极及其制备方法。
背景技术
脑机接口(brain-computer interface，BCI)作为人机交互的一个重要方 向，在医疗健康、体能增效、航空航天、智能交通、娱乐游戏等领域具有广 泛的应用价值。通过获取人类脑电信号(EEG)，对其进行分析后，可以得到人 类大脑的各类信息：从人类疾病，到控制外部设备。脑电技术的发展极大的 促进了人类对自己大脑的认知与人类身体性能的增强。因此如何测量到脑电 信号，越发是一个重要的课题。
脑电波柔性电极是脑机接口的重要组成，也是脑机接口技术实现的关键。 近年来，各种以脑机接口为需求背景的柔性电极材料不断涌现：聚合物、纳 米材料、碳基材料、天然高分子等柔性材料都在脑电信号的探测上做出了尝 试与探索。
存在的问题是，目前基于这类纯电学的测量方式空间分辨率低，并且由 于皮肤与电极间的阻抗较大，信噪比较高，现有的脑机接口电极仍然有待改 进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极及其 制备方法，以解决脑机接口电极测量精度和准确度不高的问题。利用新型光 电技术，能够使电极具有优秀的传感探测能力和优异的机械性；本发明的化 学性质稳定，对皮肤友好，并且可以循环使用。
本发明第一个方面为提供一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极， 所述电极包括：光纤，在所述光纤上负载有传感组分，所述传感组分的材料 为合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料。
本发明通过结合光纤背向散射技术，利用聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶对 电信号的响应，实现了柔性非侵入式的脑电波探测。
优选的，所述光纤为直径50-100μm，长度为10-100cm的石英无包层光纤。
优选的，所述合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料由纯度均大于 99％的丙烯酰胺(AAm)、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、N，N，N’，N’四 甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)和苯胺的混合溶液经过固化制成。
优选的，所述丙烯酰胺(AAm)在所述混合溶液中的浓度为10-40wt％。
优选的，所述N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)在所述混合溶液中的浓度 为1-5wt％。
优选的，所述N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)在所述混合溶液中的 浓度为1-5wt％。
优选的，所述过硫酸铵(APS)在所述混合溶液中的浓度为1-5wt％。
本发明第二个方面为提供一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的 制备方法，所述制备方法包括：
将丙烯酰胺(AAm)、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、N，N，N’，N’四 甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)加入到苯胺中，得到的混合溶液即 为聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液。
优选的，所述制备方法还包括：
把所述混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液)倒入聚二甲基硅氧 烷(PDMS)模具中，并在所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中放入石英无包 层光纤。
将所述加入混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液)和光纤的聚二 甲基硅氧烷(PDMS)模具置于紫外光线下照射30秒进行固化，固化后从所述 聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中取出固体，完成制备。
进一步优选实施方式中，所述方法按照以下方式执行：
第一步：测量一定质量的苯胺，倒入混合容器中；
第二步：测量一定质量的丙烯酰胺(AAm)，加入混合容器中；
第三步：测量一定质量的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，加入混合容 器中；
第四步：测量一定质量的N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)，加入混 合容器中；
第五步：测量一定质量的过硫酸铵(APS)，加入混合容器中；
第六步：将混合容器中的混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液) 倒入模具中；
第七步：将石英无包层光纤放入模具中；
第八步：进行固化操作，将加入混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶 溶液)和光纤的模具，置于紫外光线下照射；
第九步：照射至固化后，将模具中的固体整体取出，完成制备。
优选的，第一步中，所述苯胺的纯度大于99％。
优选的，第二步中，所述一定质量的丙烯酰胺(AAm)的纯度大于99％， 其倒入模具后的浓度为所述混合溶液的10-40wt％。
优选的，第三步中，所述一定质量的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)的 纯度大于99％，其倒入模具后的浓度为所述混合溶液的1-5wt％。
优选的，第四步中，所述一定质量的N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED) 的纯度大于99％，其倒入模具后的浓度为所述混合溶液的1-5wt％。
优选的，第五步中，所述一定质量的过硫酸铵(APS)的纯度大于99％， 其倒入模具后的浓度为所述混合溶液的1-5wt％。
优选的，第六到九步中，所述模具的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
优选的，第七步中，所述石英无包层光纤的直径为50-100μm，长度为 10-100cm。
优选的，第八步中，所述紫外光线照射的时间为30秒。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过结合光纤背向散射技术，结合聚丙烯酰胺(PAAm)水凝 胶对电信号的响应，实现了柔性非嵌入式的脑电波探测，降低了脑电波信号 的信噪比，提高了电极测量的精度和准确度。
(2)本发明采用的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料，化学性质稳定，对 皮肤友好，并且可以循环使用。
(3)本发明的制备方法工艺复杂度低，可快速实现大批量制备，降低生 产成本。
附图说明
图1为本发明一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的结构示意图；
图2为本发明一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的制备方法流 程示意图；
图3为本发明一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极帖服在大脑皮 层上采集电信号的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。
如图1所示，本实施例提供一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极， 其中电极是由光纤和传感组分两部分组成。光纤上负载的传感组分的材料为 合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料。
本实施例中的电极通过结合光纤背向散射技术，利用聚丙烯酰胺(PAAm) 水凝胶对电信号的响应，实现了柔性非侵入式的脑电波探测。
本实施例中，优选的，光纤为直径50μm，长度为80cm的石英无包层光 纤。
本实施例中，优选的，合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料由纯 度均大于99％的丙烯酰胺(AAm)、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、N，N，N’，N’ 四甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)和苯胺的混合溶液经过固化制成。
本实施例中，优选的，丙烯酰胺(AAm)在所述混合溶液中的浓度为30wt％。
本实施例中，优选的，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)在所述混合溶液 中的浓度为2wt％。
本实施例中，优选的，N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)在所述混合 溶液中的浓度为3wt％。
本实施例中，优选的，过硫酸铵(APS)在所述混合溶液中的浓度为3wt％。
本实施例中，优选的，如图2所示，柔性非侵入式光纤传感型脑机接口 电极的制备方法，可以采用如下步骤：
第一步：测量一定质量的且纯度大于99％的苯胺，倒入混合容器中；
第二步：测量一定质量的且纯度大于99％的丙烯酰胺(AAm)，加入混合 容器中，使其倒入模具后的浓度为最终混合溶液的30wt％；
第三步：测量一定质量的且纯度大于99％的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺 (BIS)，加入混合容器中，使其倒入模具后的浓度为最终混合溶液的2wt％；
第四步：测量一定质量的且纯度大于99％的N，N，N’，N’四甲基乙二胺 (TEMED)，加入混合容器中，使其倒入模具后的浓度为最终混合溶液的3wt％；
第五步：测量一定质量的且纯度大于99％的过硫酸铵(APS)，加入混合 容器中，使其倒入模具后的浓度为最终混合溶液的3wt％；得到最终混合溶液；
第六步：将混合容器中的最终混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶 液)倒入模具中，模具的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
第七步：将光纤放入模具中，光纤为直径50μm，长度为80cm的石英无 包层光纤；
第八步：进行固化操作，将加入最终混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水 凝胶溶液)和光纤的模具，置于紫外光线下照射，照射时间为30秒；
第九步：照射至最终混合液体固化后，将模具中的固体整体取出，完成 制备。
本发明的电极制备方法可以扩展应用在不同类型的生物信号传感器上， 如图3所示，可测量脑电、心电、肌电、眼电等神经生理信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (9)

1.一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述电极包括：光纤，在所述光纤上负载有传感组分，所述传感组分的材料为合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述光纤为直径50-100μm，长度为10-100cm的石英无包层光纤。
3.根据权利要求1所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述合成制备的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料由纯度均大于99％的丙烯酰胺(AAm)、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)和苯胺的混合溶液经过固化制成。
4.根据权利要求3所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述丙烯酰胺(AAm)在所述混合溶液中的浓度为10-40wt％。
5.根据权利要求3所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)在所述混合溶液中的浓度为1-5wt％。
6.根据权利要求3所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)在所述混合溶液中的浓度为1-5wt％。
7.根据权利要求3所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极，其特征在于：所述过硫酸铵(APS)在所述混合溶液中的浓度为1-5wt％。
8.一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的制备方法，其特征在于，包括：
将丙烯酰胺(AAm)、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)、N，N，N’，N’四甲基乙二胺(TEMED)、过硫酸铵(APS)加入到苯胺中，得到混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液)。
9.根据权利要求8所述的一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的制备方法，其特征在于，还包括：
将所述混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液)倒入聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中，并在所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中放入石英无包层光纤；
将所述加入混合溶液(聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶溶液)和光纤的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具置于紫外光线下照射进行固化，固化后从所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中取出固体，完成所述一种柔性非侵入式光纤传感型脑机接口电极的制备。
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