CN111772630B - 具有凝胶微针脑电极的脑机接口 - Google Patents

具有凝胶微针脑电极的脑机接口 Download PDF

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Abstract

提供一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口，所述脑机接口包括多个微针电极(1)，每个所述微针电极(1)均包括多个微针(11)，所述微针(11)包括凝胶电解质(111)和柱状电极(112)，所述柱状电极(112)从所述凝胶电解质(111)的内部穿过并从所述微针(11)的尖端裸露。本公开的具有凝胶微针脑电极的脑机接口阻抗低、能够快速精准地采集脑电信号。

Description

具有凝胶微针脑电极的脑机接口
技术领域
本公开涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口。
背景技术
作为人机意念交互最为直接有效的工具，脑机接口一直以来备受关注。基于EEG(脑电图)的无创脑机接口应用广泛。
目前的EEG脑机接口具有以下缺点：
第一，通过有线连接的方式与外部设备连接以传输信号，整个脑机接口的监测部分体积臃肿，便携性、可穿戴性差，无法在不影响日常生活的情况下长时间佩戴。
第二，测试精度不高，空间分辨率低，无法完成高速、准确的人机信息交互和意念控制。
第三，电极的制备材料的杨氏模量和人体头皮的杨氏模量不匹配，造成电极和头皮表面失配，使得电极与头皮表面的接触面积显著减小，造成阻抗较大和测量不精确。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本公开。本公开的目的在于提供一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其阻抗低、能够快速精准地采集脑电信号。
提供一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其包括多个微针电极，每个所述微针电极均包括多个微针，所述微针包括：
凝胶电解质；以及
柱状电极，所述柱状电极从所述凝胶电解质的内部穿过并从所述微针的尖端裸露。
在至少一个实施方式中，所述微针还包括中空锥形的、具有粘性的仿生材料外层，所述凝胶电解质设置于所述仿生材料外层内并从所述仿生材料外层的尖端伸出。
在至少一个实施方式中，每个所述微针电极还包括一个柔性贴片，所述一个柔性贴片上设有所述多个微针，
所述柔性贴片具有粘性以用于贴合到头皮表面。
在至少一个实施方式中，所述柔性贴片包括第一柔性衬底和第二柔性衬底，所述第一柔性衬底的两个相反的表面分别与所述微针和所述第二柔性衬底结合，
所述微针电极还包括埋设于所述第一柔性衬底内且与所述柱状电极相连的金属薄膜导线，
所述第二柔性衬底具有粘性。
在至少一个实施方式中，所述柱状电极包括银以及在所述银的外部包覆的氯化银膜层。
在至少一个实施方式中，所述脑机接口还包括无线传输模块和柔性接口，所述无线传输模块用于无线通信，所述多个微针电极通过柔性导线连接至所述柔性接口，所述柔性接口连接至所述无线传输模块。
在至少一个实施方式中，所述无线传输模块包括用于无线传输的电子器件和柔性衬底，所述电子器件集成于所述柔性衬底上，所述柔性衬底具有粘性，从而所述无线传输模块具有可赋形性及粘性，能够贴合到头皮表面。
在至少一个实施方式中，所述柔性导线具有剪纸结构从而具有可拉伸性和延展性，便于贴合到头皮表面。
在至少一个实施方式中，所述仿生材料外层的材料包括修饰有聚多巴胺的聚二甲基硅氧烷。
在至少一个实施方式中，所述一个柔性贴片的设置所述多个微针的表面的面积为10mm2至60mm2，所述一个柔性贴片上设置有15至45个所述微针；并且/或者
所述脑机接口设有64至512所述微针电极。
本公开的具有凝胶微针脑电极的脑机接口阻抗低、能够快速精准地采集脑电信号。
附图说明
图1为本公开提供的具有凝胶微针脑电极的脑机接口贴合于头皮表面的示意图。
图2为图1中的脑机接口的微针电极的截面图。
图3为微针电极与柔性接口连接的示意图。
附图标记说明：
1微针电极、11微针、111凝胶电解质、112柱状电极、113仿生材料外层、12金属薄膜导线、15柔性贴片、151第一柔性衬底、152第二柔性衬底、2无线传输模块、3柔性导线、4柔性接口。
具体实施方式
下面参照附图描述本公开的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本公开，而不用于穷举本公开的所有可行的方式，也不用于限制本公开的范围。
如图1所示，本公开提供一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口，该脑机接口包括多个微针电极1和无线传输模块2，多个微针电极1与无线传输模块2连接，无线传输模块2用于与外部设备进行无线通信。
如图2所示，每个微针电极1可以包括多个微针11和一个柔性贴片15。微针11包括凝胶电解质111和柱状电极112，柱状电极112从凝胶电解质111的内部穿过并从微针11的尖端裸露。
微针11可以还包括中空锥形的、具有粘性的仿生材料外层113，凝胶电解质111设置于仿生材料外层113内并可以从仿生材料外层113的尖端伸出。这样，整个微针11整体上也呈锥形。
仿生材料外层113的高度可以为100微米至200微米，从而可以在表皮层进行信号采集。即，微针11可以穿过头发，穿透角质层，在表皮层进行信号的采集。这可以使微针11与表皮层的接触面积增加，从而降低整体的接触阻抗。此外，微针11的采样面积增加，提高微针电极1的采样效率和空间分辨率。这里，整个微针电极1可以在例如500Hz进行采样。
柔性贴片15具有粘性以用于贴合到头皮表面。多个微针11集成于一个柔性贴片15上，具体地，多个微针11可以在柔性贴片15上形成阵列。图2示例出了一个柔性贴片15上的三个多个微针11。然而，这仅是出于简化图示的目的，而不用于限制本公开。优选地，可以在一个柔性贴片15上设置15至45个微针11，特别地，可以在一个柔性贴片15上设置20至30个微针11。
一个柔性贴片15的设置多个微针11的表面的面积(或称表面积)可以为10mm2至60mm2，特别地，可以为20mm2至40mm2。该脑机接口可以设有64至512个微针电极1，在一个示例中，该脑机接口可以设有64至256个微针电极1。
通过上述设置，可以提高微针电极1的测试精度和空间分辨率。
凝胶电解质111的材料可以包括PEDOT:PSS(聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐))等。柱状电极112可以呈针状，凝胶电解质111部分地包裹住柱状电极112。柱状电极112可以为带有微纳结构的Ag/AgCl金属电极，即包括银以及在银的外部包覆的氯化银膜层。仿生材料外层113的材料可以包括修饰有聚多巴胺的聚二甲基硅氧烷，可以紧密粘附于头皮下的表皮层中。
微针电极1还可以包括埋设于柔性贴片15内的金属薄膜导线12，金属薄膜导线12与多个柱状电极112连接。
参照图3，金属薄膜导线12可以经由柔性导线3与柔性接口4连接，柔性接口4连接到无线传输模块2。在一个具体但非限制性的示例中，柔性接口4可以设置于无线传输模块2，柔性接口4还可以作为无线传输模块2的一部分。
柔性导线3可以具有剪纸结构造型并形成具有镂空的条带。柔性导线3能够增强脑机接口的可拉伸性能，满足与头皮表面的共形贴附。
金属薄膜导线12可以埋设于柔性贴片15的内部，金属薄膜导线12的材料包括例如银。埋设的金属薄膜导线12有利于简化微针11的外形，且无需特别为金属薄膜导线12进行防水处理，这简化了微针电极1的制备工艺。柔性贴片15具有粘性，可紧密赋形于头皮表面。
柔性贴片15可以包括第一柔性衬底151和第二柔性衬底152，第一柔性衬底151的两面分别与微针11和第二柔性衬底152结合，金属薄膜导线12设于第一柔性衬底151内。第二柔性衬底152的表面积可以大于第一柔性衬底151的表面积，第二柔性衬底152具有粘性，从而第二柔性衬底152能够在微针11刺入头皮表面后使得整个微针电极1固定到头皮表面，不会因为佩戴者的运动而引发失配。
第二柔性衬底152的材料可以包括SU-8光刻胶，PI(聚酰亚胺)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Parylene(派瑞林)、医用辅料等。特别地，第二柔性衬底152和仿生材料外层113可以由相同的仿生材料制成，例如修饰有聚多巴胺的聚二甲基硅氧烷。
柔性贴片15变形能力强，能够增加微针电极1与头皮表面的接触面积，从而保证微针电极1与头皮表面紧密贴附，使微针电极1具有较好的可赋形性。
在本公开的其他实施例中，柔性贴片15可以包括一个层，金属薄膜导线12设于该层且该层具有粘性，可以采用微注塑工艺制备仿生材料外层113和该层。
微针电极1与无线传输模块2连接从而通过无线通信的方式将信号传递至外部设备，这简化了脑机接口的结构，进一步实现了脑机接口的轻量化。具体地，可以使用例如第五代无线蓝牙或精准的红外通信等无线通信方法进行脑电信号的实时传输。
无线传输模块2可以包括用于无线传输的电子器件和柔性衬底，电子器件集成于柔性衬底上，柔性衬底具有粘性，从而无线传输模块2具有可赋形性及粘性，能够贴合到头皮表面。
该脑机接口可以按照以下步骤使用：
首先，清洁待贴合的头皮区域；然后，将微针电极1通过微创的方式植入头表皮层；最后，将无线传输模块2与外部设备连接，以处理脑电信号。
本公开的微针电极1和脑机接口至少具有以下优点：
第一，克服了角质层对信号的阻挡，而且凝胶电解质111增强导电性，使得微针电极1的接触阻抗较低，能够快速精准地采集信号。
第二，创新地形成仿生材料外层113和柱状电极112的组合结构，使微针电极1的外形简单化和整体轻量化，适合长时间佩戴，可以根据个体需求实施多样化的采集方案，能够满足个性化差异需求。
第三，微针电极1克服头发阻碍，使用者不用剪掉头发，使用方便。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本公开。本领域技术人员可以在本公开的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本公开的范围。

Claims (7)

1.一种具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，所述脑机接口包括多个微针电极(1)，每个所述微针电极(1)均包括多个微针(11)，所述微针(11)包括：
凝胶电解质(111)；以及
柱状电极(112)，所述柱状电极(112)从所述凝胶电解质(111)的内部穿过并从所述微针(11)的尖端裸露，
所述微针(11)还包括中空锥形的、具有粘性的仿生材料外层(113)，
所述凝胶电解质(111)设置于所述仿生材料外层(113)内并从所述仿生材料外层(113)的尖端伸出，
所述脑机接口还包括无线传输模块(2)和柔性接口(4)，所述无线传输模块(2)用于无线通信，所述多个微针电极(1)通过柔性导线(3)连接至所述柔性接口(4)，所述柔性接口(4)连接至所述无线传输模块(2)，所述柔性导线(3)具有剪纸结构、形成有镂空的造型，从而具有可拉伸性和延展性，便于贴合到头皮表面。
2.根据权利要求1所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，每个所述微针电极(1)还包括一个柔性贴片(15)，所述一个柔性贴片(15)上设有所述多个微针(11)，
所述柔性贴片(15)具有粘性以用于贴合到头皮表面。
3.根据权利要求2所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，所述柔性贴片(15)包括第一柔性衬底(151)和第二柔性衬底(152)，所述第一柔性衬底(151)的两个相反的表面分别与所述微针(11)和所述第二柔性衬底(152)结合，
所述微针电极(1)还包括埋设于所述第一柔性衬底(151)内且与所述柱状电极(112)相连的金属薄膜导线(12)，
所述第二柔性衬底(152)具有粘性。
4.根据权利要求3所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，所述柱状电极(112)包括银以及在所述银的外部包覆的氯化银膜层。
5.根据权利要求1所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，所述无线传输模块(2)包括用于无线传输的电子器件和柔性衬底，所述电子器件集成于所述柔性衬底上，所述柔性衬底具有粘性，从而所述无线传输模块(2)具有可赋形性及粘性，能够贴合到头皮表面。
6.根据权利要求1所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，所述仿生材料外层(113)的材料包括修饰有聚多巴胺的聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求2所述的具有凝胶微针脑电极的脑机接口，其特征在于，
所述一个柔性贴片(15)的设置所述多个微针(11)的表面的面积为10mm2至60mm2，所述一个柔性贴片(15)上设置有15至45个所述微针(11)；并且/或者
所述脑机接口设有64至512所述微针电极(1)。
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