CN111803051B

CN111803051B - 注射式生物电信号监测器件

Info

Publication number: CN111803051B
Application number: CN202010606943.4A
Authority: CN
Inventors: 黄显; 晚春雪
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: CN111803051A

Abstract

本公开提供了一种注射式生物电信号监测器件，包括：多路注射器、电极定位腔和柔性互连平台，多路注射器与注射管道一端相连；电极定位腔与注射管道另一端相连，多路注射器注射室温固化油墨通过注射管道进入电极定位腔，并从电极定位腔下流到皮肤上形成测量电极；测量电极通过柔性互连线与柔性互连平台相连，柔性互连平台与电路相连进行信号测量。本公开采用多路注射器注射室温固化油墨在皮肤表面迅速形成测量电极，解决了现有生物电信号测量电极的皮肤失配、佩戴舒适度问题。

Description

注射式生物电信号监测器件

技术领域

本公开涉及生命体征监测领域，尤其涉及一种注射式生物电信号监测器件。

背景技术

生物电信号的本质是离子的跨膜流动，心电、脑电、肌电等是较为常见的体表生物电信号，使用电极采集后经过放大和处理可以生成心电图、肌电图、脑电图等。通过多导联生物电信号监测可以实现如脑血栓、心肌梗塞、心律失常等多种生理疾病的诊断和预警。生物电监测电极直接接触人体表面，是生物电传感器中最为核心的部件，目前多导联生物电传感器件的测量电极主要以湿式电极和刚性干式电极为主。湿电极通常需要配合导电凝胶使用，但凝胶会对皮肤产生刺激，电极的性能也会因凝胶干燥随时间下降，测量前的凝胶涂抹和测量后的清洁也费时费力。硬质的干电极受噪声干扰较大，在脑电测量中易受头发的影响，通常需要施加压力或表面增加微针等方式增大与皮肤的接触面积，长期佩戴会产生压痕皮肤损伤感染。近期出现的柔性类皮肤电极，一般是通过CMOS或者印刷工艺制备的基于金和银的薄膜电极，这类器件制造工艺复杂、成本较高，不适于大规模制备和反复使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种注射式生物电信号监测器件，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种注射式生物电信号监测器件，包括：

多路注射器，与注射管道一端相连；

电极定位腔，与所述注射管道另一端相连，所述多路注射器注射室温固化油墨通过所述注射管道进入电极定位腔，并从所述电极定位腔下流到皮肤上形成测量电极；

柔性互连平台，所述测量电极通过柔性互连线与所述柔性互连平台相连，所述柔性互连平台与电路相连进行信号测量。

在本公开的一些实施例中，所述多路注射器包括：

注射器腔，所述注射器腔上设置有注射口；

注射分路，与所述注射器腔相连；所述注射分路的分路条数为n，其中，n≥1。

在本公开的一些实施例中，n条所述注射分路设置在所述注射器腔腔体侧壁均匀分布和/或设置在与设置有注射口相对侧的所述注射器腔上。

在本公开的一些实施例中，柔性互连平台包括：所述柔性互连平台上设置有多个电极接口，且多个所述电极接口绕所述柔性互连平台均匀分布。

在本公开的一些实施例中，所述柔性互连平台与所述电路通过磁性薄膜相连。

在本公开的一些实施例中，所述柔性互连平台上设置有环形槽，所述磁性薄膜放置于所述环形槽内。

在本公开的一些实施例中，所述电路为柔性电路。

在本公开的一些实施例中，所述多路注射器的材料为光敏树脂。

在本公开的一些实施例中，所述多路注射器与所述注射管道通过环氧树脂胶水相连。

在本公开的一些实施例中，所述多路注射器呈八爪鱼结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开注射式生物电信号监测器件至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开采用多路注射器注射室温固化油墨在皮肤表面迅速形成测量电极，解决了现有生物电信号测量电极的皮肤失配、佩戴舒适度问题。

(2)本公开中采用的室温固化油墨固化后可通过水洗或机械剥离的方式从皮肤表面去除，解决现有电极残留水凝胶难以清洗的问题。

(3)本公开采用简化的中心发散式布局，相对于现有的多导联生物电监测期间，互连线路简单，电极定位方便。

(4)本公开中柔性互连平台与电路采用磁电复合连接方式，使得各部分间可实现自主对齐，可逆连接。

附图说明

图1为本公开实施例注射式多导联脑电信号器件的结构示意图。

图2a为图1中多路注射器俯视结构示意图。

图2b为图1中多路注射器正视结构示意图。

图3为多路注射器与电极定位腔连接结构示意图。

图4为图1中柔性互连平台结构示意图。

图5为柔性互连平台与电路连接结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-测量电极Cz；

2-测量电极Fz；

3-测量电极Fp1；

4-测量电极Fp2；

5-测量电极F4；

6-测量电极F8；

7-测量电极C4；

8-测量电极T4；

9-测量电极P4；

10-测量电极T6；

11-测量电极Pz；

12-测量电极O2；

13-测量电极O1；

14-测量电极P3；

15-测量电极T5；

16-测量电极C3；

17-测量电极T3；

18-测量电极F3；

19-测量电极F7；

20-柔性互连线；

21-柔性互连平台；

211-电极接口；

212-环形槽；

22-多路注射器；

221-注射口；

222-注射器腔；

223-注射分路；

23-注射管道；

24-电极定位腔；

25-电路；

26-磁性薄膜。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种注射式生物电信号监测器件。图1为本公开实施例注射式多导联脑电信号器件的结构示意图。如图1所示，本公开注射式生物电信号监测器件包括：多路注射器22、电极定位腔24和柔性互连平台21，多路注射器22与注射管道23一端相连；电极定位腔24与注射管道23另一端相连，多路注射器22注射室温固化油墨通过注射管道23进入电极定位腔24，并从电极定位腔24下流到皮肤上形成测量电极；测量电极通过柔性互连线20与柔性互连平台21相连，柔性互连平台21与电路25相连进行信号测量。如图1所示，19个测量电极分别包括：测量电极Cz 1、测量电极Fz 2、测量电极Fp1 3、测量电极Fp2 4、测量电极F4 5、测量电极F8 6、测量电极C4 7、测量电极T4 8、测量电极P49、测量电极T6 10、测量电极Pz 11、测量电极O2 12、测量电极O1 13、测量电极P3 14、测量电极T5 15、测量电极C3 16、测量电极T3 17、测量电极F3 18、测量电极F7 19，上述19个测量电极的定位采用国际脑电图学会规定的10-20系统电极放置法，为优化繁琐的电极定位过程、简化电极与电路25互连结构，本公开采用八爪鱼型中心发散式布局。柔性互连线20，其内部为150微米直径的聚氨酯漆包铜线，相邻的柔性互连线20相互缠绕，外围包裹PDMS材料，实现保护导电部分的目的。

以下分别对本实施例注射式生物电信号监测器件的各个组成部分进行详细描述。

图2a为图1中多路注射器俯视结构示意图。图2b为图1中多路注射器正视结构示意图。如图2a、图2b所示，多路注射器22包括：注射口221、注射器腔222和注射分路223。注射口221和注射分路223分别与注射器腔222相连。在本实施例中，注射口221设置在注射器腔222的上表面，注射分路223设置在注射器腔222腔体侧壁面和/或注射器腔222的下表面。关于注射分路223的分路条数为n，其中，n≥1。多路注射器22采用3d打印的方式制备，材料为光敏树脂。多路注射器22与对应的注射管道23使用环氧树脂胶水固定，注射管道23与电极定位腔24体采用插拔式连接，注射完毕即可取下注射装置。电极定位腔24由内部的硅胶管、PVC管和外层材料PDMS组成。

图3为多路注射器与电极定位腔连接结构示意图。如图3所示，多路注射器22与注射管道23一端相连；电极定位腔24与注射管道23另一端相连，多路注射器22注射室温固化油墨通过注射管道23进入电极定位腔24，24并从电极定位腔24下流到皮肤上形成测量电极。

图4为图1中柔性互连平台结构示意图。如图4所示，圆形柔性互连平台直径为27mm，厚度为2mm，测量电极Cz1在柔性互连平台上位于圆形中心，其电极接口211位于中部，其余18个测量电极(测量电极Fz 2、测量电极Fp1 3、测量电极Fp2 4、测量电极F4 5、测量电极F8 6、测量电极C4 7、测量电极T4 8、测量电极P4 9、测量电极T6 10、测量电极Pz 11、测量电极O2 12、测量电极O1 13、测量电极P3 14、测量电极T5 15、测量电极C3 16、测量电极T3 17、测量电极F3 18、测量电极F7 19)的电极接口211均匀分布于直径为21mm的同心圆上。

图5为柔性互连平台与电路连接结构示意图。如图5所示，电极接口211设计为直径2mm，深度1mm的柱状环形槽212，柔性互连线20的铜线内芯从柔性互连平台21底部连接至环形槽212内并灌注银浆，电路25一侧相应位置粘贴导电探针，在压力作用下完成电学连接。柔性互连平台21中间设计内径为12mm，外径为20mm，深度为1mm的环形槽212，环形槽212内粘贴磁性薄膜26，实现柔性互连平台21与柔性电路25的可逆磁力吸附。

导电油墨通常基于金属纳米线、金属纳米颗粒、导电聚合物、透明导电氧化物等。其中银纳米线导电性能优越，具有高长径比，容易形成导电网状结构，正被广泛研究。水基银纳米线油墨可在室温下较快固化，具有优越的机械性能，可承受较大的应变而不影响导电性能。将特制银纳米线油墨注射至生物电信号测量位置，油墨在皮肤表面迅速固化并渗过毛发，贴合皮肤纹理，形成具有良好皮肤粘附性、优良导电性的生物电信号测量电极。测量结束后固化的油墨图形在可通过机械剥离或水洗等方式从皮肤表面快速去除。本实施例中提供的室温固化油墨其配置方法包括：

步骤11：制备硝酸银溶液，葡萄糖溶液，PVP溶液，氯化钠溶液。边搅拌边向硝酸银溶液中加入葡萄糖溶液，加入PVP溶液并搅拌至混合均匀。将氯化钠溶液缓慢滴入上述溶液中，搅拌至完全溶解。将混合溶液加入特氟龙内衬的不锈钢高压反应釜中，在烘箱中加热反应。反应釜在室温下冷却，离心收集蓬松的灰白色沉淀，用去离子水清洗3次，用乙醇清洗3次，将产物保存在乙醇中。

步骤12：以优化比例的水和乙醇为溶剂，超声分散一定比例的银纳米线和粘结剂、分散剂。具体的，水∶乙醇＝1∶3，银纳米线1％-2％，粘结剂1-2％，分散剂0.5％-1％。

本实施例中提供的注射式生物电信号监测器件的制作方法包括：

步骤21：根据10-20系统电极放置法及八爪鱼形布局，裁剪19根特定长度的150微米直径铜线，将相邻铜线机械缠绕，并将头部和尾部的聚氨酯漆剥离。在尾部连接长度为1mm，内径为0.8mm，外径为1.2mm的PVC管，将铜线从一端穿入PVC管中并绕成环状用于增大导电部分的接触面积。将PVC管的另一端连接至内径为1mm，外径为1.5mm，长度为1mm的硅胶软管中并固定。

步骤22：3d打印柔性互连平台和多路注射器。激光切割厚度为1mm的亚克力板形成柔性互连线，沟槽宽度为1mm，亚克力板的中心切割直径为30mm的圆孔。将多路注射器的各分路与作为注射管道的PVC管(长度为180mm，内径为0.8mm，外径为1.2mm)用环氧树脂胶水固定。

步骤23：在柔性互连平台中浇注PDMS，加热固化后剥离模具。将各路铜线的头部连入柔性互连平台的柱形槽内并绕成环状，在槽内注入导电银浆并固化。将铜线及PDMS互连平台放入激光切割制成的模具中，浇注PDMS。固化后铜线尾部的PVC管和硅胶软管被PDMS包裹，形成电极定位腔，铜丝外围包裹一层PDMS形成柔性互连线，柔性互连平台与柔性互连线、电极定位腔连接成整体。

步骤24：用高剩磁钕铁硼(NdFeB)微米颗粒和PDMS制作环状薄膜并折叠充磁，将两片磁性薄膜分别粘贴于柔性互连平台的环形槽和电路对应位置。

步骤25：将器件佩戴于头部，将注射管道连接于电极定位腔的硅胶管中，油墨通过注射管道到达头部皮肤表面形成圆形图案，取下多路注射器。10分钟后油墨完成固化，将电路通过磁力吸附的方式连接即可开始测量。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开注射式生物电信号监测器件有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种注射式生物电信号监测器件，采用多路注射器注射室温固化油墨在皮肤表面迅速形成测量电极，解决了现有生物电信号测量电极的皮肤失配、佩戴舒适度问题，生命体征监测领域具有广阔的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种注射式生物电信号监测器件，其中，包括：

多路注射器，与注射管道一端相连；

2.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述多路注射器包括：

注射器腔，所述注射器腔上设置有注射口；

3.根据权利要求2所述的注射式生物电信号监测器件，其中，n条所述注射分路设置在所述注射器腔腔体侧壁均匀分布和/或设置在与设置有注射口相对侧的所述注射器腔上。

4.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，柔性互连平台包括：所述柔性互连平台上设置有多个电极接口，且多个所述电极接口绕所述柔性互连平台均匀分布。

5.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述柔性互连平台与所述电路通过磁性薄膜相连。

6.根据权利要求5所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述柔性互连平台上设置有环形槽，所述磁性薄膜放置于所述环形槽内。

7.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述电路为柔性电路。

8.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述多路注射器的材料为光敏树脂。

9.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述多路注射器与所述注射管道通过环氧树脂胶水相连。

10.根据权利要求1所述的注射式生物电信号监测器件，其中，所述多路注射器呈八爪鱼结构。