CN111990993A - 一种柔性集成皮层脑电极及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脑功能探测领域，本发明公开了一种柔性集成皮层脑电极及其制作方法。该柔性集成皮层脑电极，其包括衬底、电极柔性支撑层、电极结构和绝缘层；该衬底上设有该电极柔性支撑层；该电极柔性支撑层上设有该电极结构；该电极结构上设有该绝缘层，该绝缘层包括电极孔，该电极孔与该电极结构的触点电极对应；其中，该电极结构包括刺激电极结构和采集电极结构，该刺激电极结构用于刺激产生脑电信号，该采集电极结构用于采集该脑电信号。本发明提供了的柔性集成皮层脑电极兼具刺激采集功能，并具有厚度薄和服帖性好的特点。

Description

一种柔性集成皮层脑电极及其制作方法

技术领域

本发明涉及脑功能探测领域，特别涉及一种柔性集成皮层脑电极及其制作方法。

背景技术

脑监测技术能够对脑电信号进行采集，进而有助于脑功能解码，随着脑监测技术的发展，也促进了一系列以此为基础的高新技术发展，比如：脑机接口、神经调控等。一般，针对脑电信号采集的方法主要依靠脑部电极，目前应用比较广泛的脑部电极包括4种：1)头皮脑电(EEG)；2)皮层脑电(ECoG)；3)皮层微电极(Microelectrode)；4)深度脑电极(SEEG)。这四种电极各具优势，但是也有其应用的局限性。总体而言，介于颅内刺入式微电极和头皮外脑电极之间的脑部皮层平面电极(ECoG)，放置电极于硬脑膜下皮层表面，由于其侵入损伤小，采集的脑部皮层表面电信号ECoG，比EEG信噪比高、分辨率高(达亚微米级)、信号采集频率范围更大，包含皮层神经元群体活动信息，在脑疾病的诊断与监测、脑机接口系统的性能改善等方面具有广泛的应用前景。ECoG采集可认为在信号保真度和临床实用性之间达到了理想的平衡。

通常利用ECoG在患者脑部检测到的信号可以被用于判断癫痫发生的具体位置。ECoG既可以检测癫痫病灶，也可用于描绘和判断脑部功能分区，如语言区、肢体感觉区、躯体运动区等等。常见的刺激形式包括有电刺激、光刺激、热刺激、药物刺激等多种，其中电刺激是最简单而全面的刺激形式，目前已经报道的带有电刺激功能的电极大多数是深部植入式电极，需要深入脑部神经，对脑部神经损伤较大，而近年来的功能集成的皮层电极呈多层堆叠结构，一般，功能集成的皮层电极为拥有一种功能的电极层的堆叠，因此最终具备集成功能的电极厚度成倍增加，从而使得电极的贴服性能急剧下降，电极使用过程中就难以实现和大脑沟回结构的良好接触贴附，从而直接导致采集过程中信号的丢失，高的背景噪声，甚至会产生运动伪影。

发明内容

本发明要解决的是皮层脑电极功能单一、厚度大和服帖性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种柔性集成皮层脑电极，其包括衬底、电极柔性支撑层、电极结构和绝缘层；

该衬底上设有该电极柔性支撑层；

该电极柔性支撑层上设有该电极结构；

该电极结构上设有该绝缘层，该绝缘层包括电极孔，该电极孔与该电极结构的触点电极对应；

其中，该电极结构包括刺激电极结构和采集电极结构，该刺激电极结构用于刺激产生脑电信号，该采集电极结构用于采集该脑电信号。

可选地，该触点电极包括采集电极和刺激电极；

该采集电极为该采集电极结构的电极；

该刺激电极为该刺激电极结构的电极；

该采集电极与所处刺激电极的分布方式为非均匀分布。

可选地，该采集电极与该刺激电极的分布方式为交叉分布。

可选地，该衬底的厚度为0.1～1000μm。

可选地，该电极柔性支撑层的厚度为0.1～100μm。

可选地，该衬底的材料包括交联后的蚕丝蛋白膜。

可选地，该刺激电极结构包括第一刺激电极材料层和第二刺激电极材料层；

该第二刺激电极材料层设于该第一刺激电极材料层上；

该第一刺激电极材料层的材料为铬；

该第二刺激电极材料层的材料包括金、银或者铂；

该采集电极结构包括第一采集电极材料层和第二采集电极材料层；

该第二采集电极材料层设于该第一采集电极材料层上；

该第一采集电极材料层的材料为铬；

该第二采集电极材料层的材料包括铂、铱、氧化铱或者铂铱合金。

可选地，该电极柔性支撑层为非降解型柔性薄膜材料。

本申请在另一方面公开了一种柔性集成皮层脑电极的制作方法，其特包括如下步骤：

提供一表面具有二氧化硅的硅衬底；

在该硅衬底的表面形成电极柔性支撑层；

在该电极柔性支撑层上形成预设形状的电极结构，得到未封装电极结构，该电极结构包括刺激电极结构和采集电极结构，该刺激电极结构用于刺激产生脑电信号，该采集电极结构用于采集该脑电信号；

在该未封装电极结构上形成绝缘层；

图形化该绝缘层，在该绝缘层上形成电极孔，得到待释放电极结构，该电极孔与该电极结构的电极对应；

去除该待释放电极结构的该硅衬底，得到待转移电极结构；

将该待转移电极结构转移至衬底上，得到脑电极结构。

可选地，形成该预设形状的电极结构的工艺方法为lift-off工艺。

采用上述技术方案，本申请提供的柔性集成皮层脑电极具有如下有益效果：

本申请公开的柔性集成皮层脑电极包括衬底、电极柔性支撑层、电极结构和绝缘层；该衬底上设有该电极柔性支撑层；该电极柔性支撑层上设有该电极结构；该电极结构上设有该绝缘层，该绝缘层包括电极孔，该电极孔与该电极结构的触点电极对应；其中，该电极结构包括刺激电极结构和采集电极结构，该刺激电极结构用于刺激产生脑电信号，该采集电极结构用于采集该脑电信号。如此，得到的柔性集成皮层脑电极兼具刺激采集功能，并具有厚度薄和服帖性好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请柔性集成皮层脑电极的截面图；

图2为本申请柔性集成皮层脑电极的俯视图；

图3为三种电极结构的触点电极分布图；

图4为图3中三种电极结构的触点电极分布情况的脑电极在δ、θ和β频段的信号采集误差示图；

图5为本申请采集电极与刺激电极的分布图；

图6～图26为本申请柔性集成皮层脑电极的制作流程示意图。

以下对附图作补充说明：

1-衬底；2-电极柔性支撑层；3-电极结构；31-采集电极结构；311-采集电极；312-采集电极引线；32-刺激电极结构；321-刺激电极；322-刺激电极引线；4-绝缘层；41-电极孔；5-表面具有二氧化硅的硅衬底，6-第一阻挡层；7-第一图形槽；8-第二图形槽；9-未封装电极结构；10-第二阻挡层；101-预处理网格槽；11-网格槽；12-预处理电极孔；13-待释放电极结构；14-待转移电极结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1和图2所示，图1为本申请柔性集成皮层脑电极的截面图。图2为本申请柔性集成皮层脑电极的俯视图。本申请在一方面公开了一种柔性集成皮层脑电极，其包括衬底1、电极柔性支撑层2、电极结构3和绝缘层4；该衬底1上设有该电极柔性支撑层2；该电极柔性支撑层2上设有该电极结构3；该电极结构3上设有该绝缘层4，该绝缘层4包括电极孔41，该电极孔41与该电极结构3的触点电极对应；其中，该电极结构3包括刺激电极结构32和采集电极结构31，该刺激电极结构32用于刺激大脑产生脑电信号，该采集电极结构31用于采集该脑电信号。

也就是说，上述方案的集成皮层脑电极兼具刺激和采集功能，在探测脑功能过程中，可以通过刺激电极结构32刺激对应脑部神经，再通过采集电极结构31采集脑电信号，进而对脑部进行研究，极大地降低了操作复杂性。

而现有中，一般刺激电极结构所在的层仅做统一单独使用，即，同时使处于同一层上的刺激电极结构的刺激电极产生电刺激，难以满足类似外部刺激所能达到的对特定点的刺激；而且该刺激电极结构仅能够作对组织产生刺激使用，功能单一。

而本申请提供的该脑电极分布有采集电极结构31和刺激电极结构32，实现了单层结构的皮层脑电极就可以通过刺激电极结构32刺激脑部神经产生反应，同时又通过采集电极结构31采集、记录该脑电信号，极大地降低了脑电极的厚度，提高了脑电极的服帖性，使得电极结构3能够与电脑沟回结构形成良好接触贴服，提高采集脑电信号的精准度和稳定性。

在一种可选地实施方式中，该触点电极包括采集电极311和刺激电极321；该采集电极311为该采集电极结构31的电极；该刺激电极321为该刺激电极结构32的电极；该采集电极311与所处刺激电极321的分布方式为非均匀分布，在其实际工作密度中，单个触点电极面积一定的条件下不受触点电极总面积大小的局限，从而达到超越面积限制的工作密度，能够实现更高密度、更高精度的脑电信号探测。

在一种可选地实施方式中，该采集电极311与该刺激电极321的分布方式为交叉分布，使得刺激电极和采集电极的分布面积均较大，从而更好地对该部分大脑区域进行研究。

如图3所示，图3为三种电极结构的触点电极分布图；从左到右依次为25道电极均匀分布的脑电极，25道非均匀分布的脑电极和49道均匀分布的脑电极；如图4所示，图4为图3中三种电极结构的触点电极分布情况的脑电极在δ、θ和β频段的信号采集误差示图；从图4可以看出，在δ频段和β频段的25道非均匀分布的脑电极结构3的采集信号误差最小，即精度高，θ频段的25道均匀分布和25道非均匀分布的精度差不多，总体来说，25道非均匀分布的脑电极结构3在以上三种频段的采集信号的精度最高，稳定性最好，均匀性分布的脑电极结构3采集信号精度低的主要原因是其实际工作密度在单个电极面积一定的条件下受到电极总面积大小的局限，难以达到超越面积限制的工作密度，因此难以实现更高密度、更高精度的脑电信号探测。

在一种可选地实施方式中，如图5所示，图5为本申请采集电极311与刺激电极321的分布图；该脑电极结构3上非均匀交叉分布有50道电极，其分布密度大于图3所示的均匀分布的49道电极的皮层脑电极密度，从图5可以看出，图5中皮层脑电极分布面积为4毫米*7.5毫米，而图3中49道电极的皮层脑电极分布面积为9.6毫米*6.5毫米，也就是说，本申请提供的该种脑电极分布方案能够使得在有限的面积条件下，进一步增加电极的实际工作密度，从而提高采集脑电信号的精准度。

在一种应用场景中，将图5分布情况的脑电极置于左半脑或者右半脑，也就是跨脑功能区的区域，比如跨运动区域和感觉区域，由于该脑电极一端的刺激电极321分布较多，适用于脑部接受刺激频繁的功能区域(如运动区)；该脑电极另一端的采集电极311较多，适用于脑部传输信号频繁的功能区域(如感觉区)。

在另一种应用场景中，将图5分布情况的脑电极置于跨两个侧脑的部位，且这两个侧脑为左右对称，且功能相同的区域，此时，脑电极结构3的采集电机和刺激电极321不均匀分布在上述部位。因此，可以选择一侧脑区的某特定位点给予电刺激，同时即采集对侧脑相应功能区的信号反应，增加了本申请提供的脑电极的应用场景的灵活性，更好地服务于脑功能研究。

在另一种可选地实施方式种，本申请提供的脑电极的刺激电极结构32亦备采集信号的功能，从而扩大该脑电极应用场景的灵活性。

在一种可选地实施方式中，该衬底1的材料包括交联后的蚕丝蛋白膜，该衬底1的厚度为0.1～1000μm，具体地，该衬底1的厚度为2μm，当然还可以是5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、120μm、800μm等。

在一种可选地实施方式中，该刺激电极结构32包括第一刺激电极材料层和第二刺激电极材料层；该第二刺激电极材料层设于该第一刺激电极材料层上；该第一刺激电极材料层的材料为铬；该第二刺激电极材料层的材料包括金、银或者铂；该采集电极结构31包括第一采集电极材料层和第二采集电极材料层；该第二采集电极材料层设于该第一采集电极材料层上；该第一采集电极材料层的材料为铬；该第二采集电极材料层的材料包括铂、铱、氧化铱或者铂铱合金。

在一种可选地实施方式中，该电极柔性支撑层2为非降解型柔性薄膜材料，优选地，该电极柔性支撑层2的材料为聚酰亚胺，当然在其他实施例中，该电极柔性支撑层2的材料还可以是环氧树脂SU-8等。

在一种可选地实施方式中，从图2和图5可以看出，该采集电极结构31包括采集电极311和采集电极引线312，刺激电极结构32包括刺激电极321和刺激电极引线322，其中采集电极311和刺激电极321可以直接与电脑皮层接触，采集电极引线312和刺激电极引线322则用于连接电极和外界各类设备。

本申请在另一种还公开了一种柔性集成皮层脑电极的制作方法，如图6～26所示，图6～图26为本申请柔性集成皮层脑电极的制作流程示意图。

具体包括如下步骤：

S101:提供一表面具有二氧化硅的硅衬底5；

S102:在硅衬底的表面形成电极柔性支撑层2；

S103:在电极柔性支撑层2上形成预设形状的电极结构3，得到未封装电极结构9，电极结构3包括刺激电极结构32和采集电极结构31，刺激电极结构32用于刺激产生脑电信号，采集电极结构31用于采集脑电信号；

S104:在未封装电极结构9上形成绝缘层4；

S105:图形化绝缘层4，在绝缘层4上形成电极孔41，得到待释放电极结构13，电极孔41与电极结构3的电极对应；

S106:去除待释放电极结构13的硅衬底，得到待转移电极结构14；

S107:将待转移电极结构14转移至衬底1上，得到脑电极结构3。

在一种可选地实施方式中，步骤S301包括，提供一四寸硅衬底，并在该生长2μm的二氧化硅层。

在一种可选地实施方式中，步骤S302包括，在该电极柔性支撑层2涂覆电极柔性支撑层2，并对其进行加热固化，其中，涂覆的方法包括旋涂、滚涂等，该电极柔性支撑层2的材料为非降解型柔性薄膜材料的聚酰亚胺，电极柔性支撑层2的厚度为0.1～100μm，具体地，该电极柔性支撑层2的厚度为2μm，当然还可以是电极柔性支撑层2的厚度还可以0.8μm、5μm、15μm、30μm、50μm、85μm等。

在一种可选地实施方式中，形成预设形状的电极结构3的工艺方法为lift-off工艺，具体地，步骤S103包括：

S201:在电极柔性支撑层2上形成第一阻挡层6，优选地，该第一阻挡层6为光刻胶；

S202:光刻图形化该第一阻挡层6，在第一阻挡层6上形成第一图形槽7；

S203:在第一图形槽7内沉积采集电极结构31，作为示例，该采集电极结构31材料层包括第一采集电极311材料层和第二采集电极311材料层，第二采集电极311材料层设于第一采集电极311材料层上，第一采集电极311材料层的材料为铬，第二采集电极311材料层的材料包括铂、铱、氧化铱或者铂铱合金。

S204:去除第一阻挡层6；

S205:在上述结构上再次形成第一阻挡层6；

S206:第二次光刻图形化第一阻挡层6，在第一阻挡层6上形成第二图形槽8；

S207:在第二图形槽8内沉积刺激电极结构32，作为示例，刺激电极结构32包括第一刺激电极321材料层和第二刺激电极321材料层，第二刺激电极321材料层设于该第一刺激电极321材料层上，第一刺激电极321材料层的材料为铬，第二刺激电极321材料层的材料包括金、银或者铂；

S208:去除第一阻挡层6，得到未封装电极结构9。

本申请将用两种不同材料制成的不同功能电极集成在了同一金属导体层上，从而减少了皮层脑电极的整体厚度。

在一种可选实施方式中，绝缘层4的材料为聚酰亚胺非导电薄膜，还可以是其他柔性薄膜，例如环氧树脂SU-8等，作为示例，绝缘层4的厚度为0.1～100μm，优选地，绝缘层4的厚度为1.5μm。在其他实施例中，绝缘层4的厚度还可以0.8μm、1μm、5μm、15μm、30μm、50μm、85μm等。

在一种可选地实施方式中，步骤S105包括：

S301:通过溅射工艺在绝缘层4上形成第二阻挡层10，作为示例，第二阻挡层10的材料为铝；

S302:图形化第二阻挡层10，在第二阻挡层10上形成预处理电极孔12；

S303:通过等离子刻蚀技术刻蚀绝缘层4，在绝缘层4上形成电极孔41，暴露出电极结构3的电极，得到待释放电极结构13。

在一种可选地实施方式中，步骤S301之后还包括：

S3011:图形化第二阻挡层10，在第二阻挡层10上形成预处理网格槽101；

S3012:再通过等离子刻蚀上述结构，形成网格槽11，在后续去除第二阻挡层10和硅衬底后，该网格槽11即为网格孔，用于增加器件的贴服性。

在一种可选地实施方式中，衬底1为交联的蚕丝蛋白膜，其的制备方法如下：

S401:取家蚕茧做原材料，将茧在0.02摩尔/升的碳酸钠水溶液中煮沸一定时间，除去水中的蚕丝胶蛋白，它会诱导产生我们所不希望的免疫反应；

S402:用60℃溴化锂水溶液溶解纤维，随后透析除去溴化锂；

S403:将上述溶液离心，然后微过滤除去其中颗粒，得到污染物最少的、浓度约为8～10％的蚕丝纤蛋白溶液；

S404:将少量溶液倒在平坦的片状聚二甲基硅氧烷(PDMS)或亚克力板上，然后在空气中结晶，放置时间约24小时，得到均匀的薄膜，给薄膜的厚度为20～50μm；

S405:随后将其轻轻地从PDMS或者亚克力板上剥离下来，得到了具有一定刚性和厚度的蚕丝蛋白薄膜，将固化结晶的蚕丝蛋白膜放置于真空箱中一段时间，使蛋白膜进行交联，最终得到交联的蚕丝蛋白膜。

综上所述，本申请公开了一种结合电信号采集刺激功能的双向一体化高密度柔性皮层脑电极，可应用在神经科学研究中大量的同时对脑电采集和脑电刺激有需求的情况，以及前沿科技与人工智能相关的信号采集、刺激控制等领域。对皮层脑电极进行触点的非均匀排列，进一步的提高其实际工作密度，并在一层上集合了两种不同材料、不同功能的电极通道，尽可能的降低了器件厚度，能实现高空间采样率和高精度的脑电信号刺激和探测；将采集/刺激功能的电极非平均的交叉放置，能够提供选择多样的实际应用方案，能够适应多种使用场景；刺激电极同时具备有采集功能，真正实现了电信号的双向一体化。

以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性集成皮层脑电极，其特征在于，包括衬底(1)、电极柔性支撑层(2)、电极结构(3)和绝缘层(4)；

所述衬底(1)上设有所述电极柔性支撑层(2)；

所述电极柔性支撑层(2)上设有所述电极结构(3)；

所述电极结构(3)上设有所述绝缘层(4)，所述绝缘层(4)包括电极孔(41)，所述电极孔(41)与所述电极结构(3)的触点电极对应；

其中，所述电极结构(3)包括刺激电极结构(32)和采集电极结构(31)，所述刺激电极结构(32)用于刺激产生脑电信号，所述采集电极结构(31)用于采集所述脑电信号。

2.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述触点电极包括采集电极(311)和刺激电极(321)；

所述采集电极(311)为所述采集电极结构(31)的电极；

所述刺激电极(321)为所述刺激电极结构(32)的电极；

所述采集电极(311)与所处刺激电极(321)的分布方式为非均匀分布。

3.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述采集电极(311)与所述刺激电极(321)的分布方式为交叉分布。

4.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为0.1～1000μm。

5.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述电极柔性支撑层(2)的厚度为0.1～100μm。

6.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述衬底(1)的材料包括交联后的蚕丝蛋白膜。

7.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述刺激电极结构(32)包括第一刺激电极材料层和第二刺激电极材料层；

所述第二刺激电极材料层设于所述第一刺激电极材料层上；

所述第一刺激电极材料层的材料为铬；

所述第二刺激电极材料层的材料包括金、银或者铂；

所述采集电极结构(31)包括第一采集电极材料层和第二采集电极材料层；

所述第二采集电极材料层设于所述第一采集电极材料层上；

所述第一采集电极材料层的材料为铬；

所述第二采集电极材料层的材料包括铂、铱、氧化铱或者铂铱合金。

8.根据权利要求1所述的柔性集成皮层脑电极，其特征在于，所述电极柔性支撑层(2)为非降解型柔性薄膜材料。

9.一种柔性集成皮层脑电极的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一表面具有二氧化硅的硅衬底(5)；

在所述硅衬底的表面形成电极柔性支撑层(2)；

在所述电极柔性支撑层(2)上形成预设形状的电极结构(3)，得到未封装电极结构(9)，所述电极结构(3)包括刺激电极结构(32)和采集电极结构(31)，所述刺激电极结构(32)用于刺激产生脑电信号，所述采集电极结构(31)用于采集所述脑电信号；

在所述未封装电极结构(9)上形成绝缘层(4)；

图形化所述绝缘层(4)，在所述绝缘层(4)上形成电极孔(41)，得到待释放电极结构(13)，所述电极孔(41)与所述电极结构(3)的电极对应；

去除所述待释放电极结构(13)的所述硅衬底，得到待转移电极结构(14)；

将所述待转移电极结构(14)转移至衬底(1)上，得到脑电极结构(3)。

10.根据权利要求9所述的柔性集成皮层脑电极的制作方法，其特征在于，

形成所述预设形状的电极结构(3)的工艺方法为lift-off工艺。

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