CN113261969B - 脑电极针体、脑电极单元及阵列化脑电极 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种脑电极针体，所述脑电极针体(12)整体上为锥体，所述脑电极针体(12)包括：水凝胶层(121)，所述水凝胶层(121)包括水凝胶和导电聚合物；粘附层(122)，所述粘附层(122)位于所述水凝胶层(121)的外层，所述粘附层(122)包括多巴胺；以及刺入层(123)，所述刺入层(123)位于所述粘附层(122)的外层，所述刺入层(123)包括透明质酸。

Description

脑电极针体、脑电极单元及阵列化脑电极

技术领域

本申请属于医疗器械领域，特别涉及一种脑电极针体、脑电极单元及阵列化脑电极。

背景技术

脑电图(Electroencephalogram，EEG)作为记录脑部神经生理反应产生的电化学活动的有效成像手段，被广泛应用于脑机接口领域。脑电信号是一种微弱的电压信号，可以将脑电极放置在头皮表面进行测量。目前常用脑电电极主要分为湿电极、半干电极、干电极等。

湿电极在脑电采集过程中需要使用导电膏，但是由于导电膏的使用会导致很多问题，例如导电膏干涸容易造成的脑电采集信号失真，导电膏可能引起皮肤过敏，湿电极排布过近可能造成短路等。

半干电极在使用过程中需要人为补充盐溶液，因此无法实现长时间监测，难以在日常生活中长时间佩戴使用。

干电极不需要使用液体电介质，干电极主要分为非侵入式干电极、电容/非接触电极、微针电极等。其中非侵入式干电极的接触阻抗较大，脑电信号质量不高，而且由于无法紧密赋形头皮表面，在被测者运动过程中容易产生运动伪影，无法长时间精准监测。电容/非接触电极虽然不与头皮接触，但其采集信号的振幅电平较低，电极本身的阻抗较高，且测量位置容易发生偏移进而产生运动伪影。

微针电极能够穿透皮肤角质层，到达生发层，从而降低电极与皮肤的接触阻抗。微针电极引入的电化学噪声小，采集到的脑电信号质量较高，有望实现连续、长期、高质量的脑电信号采集，在脑电采集技术领域具有很大的应用潜力。

微针脑电极虽然在采集脑电信号方面具有独特的优势，但并没有在脑电采集技术领域中得到大规模的应用，主要存在以下几个方面的缺陷。

(1)微针容易断裂、且微针的生物相融性差；

(2)微针电极的衬底无法紧密赋形头皮表面；

(3)微针脑电极的覆盖密度较小，无法检测全脑范围内的脑电。

发明内容

本申请旨在提出一种脑电极针体、脑电极单元及阵列化脑电极，以解决现有技术中的至少一个问题。

本申请提出一种脑电极针体，所述脑电极针体整体上为锥体，所述脑电极针体包括：

水凝胶层，所述水凝胶层包括水凝胶和导电聚合物；

粘附层，所述粘附层位于所述水凝胶层的外层，所述粘附层包括多巴胺；以及

刺入层，所述刺入层位于所述粘附层的外层，所述刺入层包括透明质酸。

优选地，所述脑电极针体为圆锥体、螺旋锥体、偏心锥体或棱锥。

本申请还提出一种脑电极单元，所述脑电极单元包括：

柔性衬底，所述柔性衬底为片状；

第一硬质衬底，所述第一硬质衬底嵌入所述柔性衬底，

第二硬质衬底，所述第二硬质衬底连接于所述第一硬质衬底，所述第二硬质衬底能够导电，所述第一硬质衬底和所述第二硬质衬底相对于所述柔性衬底是硬质的、刚性的，以及

脑电极针体，所述脑电极针体连接于所述第一硬质衬底和/或所述第二硬质衬底，所述脑电极针体与所述第二硬质衬底电连接。

优选地，所述脑电极单元包括多个所述脑电极针体、所述第一硬质衬底和所述第二硬质衬底，

所述脑电极单元还包括导电连接部，所述导电连接部连接多个所述第二硬质衬底。

优选地，所述导电连接部形成为螺旋状。

优选地，所述柔性衬底由聚二甲基硅氧烷制成。

优选地，所述脑电极针体为上述技术方案中所述的脑电极针体。

本申请再提出一种阵列化脑电极，所述阵列化脑电极包括脑电极单元，所述脑电极单元是上述技术方案中任一项所述的脑电极单元。

优选地，所述阵列化脑电极还包括连接单元，所述连接单元能够导电，所述连接单元将若干所述脑电极单元连接起来形成网状的阵列。

优选地，所述连接单元为弯曲的线状，所述连接单元具有弹性。

通过采用上述技术方案，本申请可以获得以下有益效果中的至少一个。

(1)刺入层使脑电极针体不易形变，不易断裂，容易刺入皮肤角质层。

(2)水凝胶层和粘附层使脑电极针体12能够紧密粘附皮肤的生发层，不发生分离，从而减少在采集脑电过程中运动伪影的出现，降低接触阻抗和电化学噪声。

(3)柔性衬底使脑电极单元可以贴合头皮，与头皮同步形变，不出现失配，减少运动伪影的产生。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施方式的阵列化脑电极的结构示意图。

图2示出了根据本申请的实施方式的脑电极单元的结构示意图。

图3示出了根据本申请的实施方式的脑电极针体的结构示意图。

附图标记说明

1脑电极单元

11柔性衬底 12脑电极针体

121水凝胶层 122粘附层 123刺入层

13导电连接部 14第一硬质衬底 15第二硬质衬底

2连接单元。

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

如图1至图3所示，本申请提出一种阵列化脑电极，阵列化脑电极包括脑电极单元1和连接单元2，连接单元2将若干脑电极单元1连接起来形成网状的阵列。阵列化脑电极可以形成为平面状或曲面状。

连接单元2具有弹性并且部分的连接单元2能够导电，连接单元2为线状，连接单元2是弯曲的形状，例如为S形，通过连接单元2形成弯曲的形状而具有弹性。部分的能够导电的连接单元2可以包括金属，例如连接单元2由金制成，应当理解金属的外层还具有绝缘层。连接单元2可以包括多根金属导线，多根金属导线分别连接多个脑电极单元1，连接单元2可以仅将脑电极单元1结构地连接，各脑电极单元1可以不通过连接单元2电连接。

每个脑电极单元1都可以连接多个脑电极单元1，使阵列化脑电极形成网状。在本实施方式中，每个脑电极单元1可以连接6个脑电极单元。三个临近的脑电极单元1可以和连接单元2围成闭合形状，例如三个脑电极单元1构成等边三角形的三个顶点，连接单元2是将三个脑电极单元1连接起来的三条边。三个脑电极和三个连接单元2组成类似等边三角形的形状，类似等边三角形和等边三角形的区别在于边是弯曲的而非直线。脑电极单元1可以以类似等边三角形拼在一起的形式阵列地连接，相邻的两个类似等边三角形共用连接单元2。三个脑电极单元1和连接单元2构成类似等边三角形的形状使阵列化脑电极可以具有弹性并且容易贴合头皮，方便佩戴到头上。

阵列化脑电极具有弹性，阵列化脑电极制成的头套可以直接套在头上，使脑电极单元1的脑电极针体12一起刺入皮肤，操作便捷，不必将脑电极单元1逐个刺入皮肤。

阵列化脑电极的脑电极针体12可以密度较高，在单位面积内具有较多的脑电极针体12，全面地覆盖采集范围，采集范围可以覆盖全脑。

阵列化脑电极可以连接用于脑电无线传输的无线传输装置，无线传输装置可以在近距离采用特定太赫兹波段进行传输，在远距离采用无线通信技术(WIFI)进行传输，使得通讯便捷，可以实时完成脑电信号的采集，进而使脑电设备实现日常可穿戴化。

(脑电极单元)

如图2所示，脑电极单元1包括柔性衬底11、脑电极针体12、导电连接部13、第一硬质衬底14、第二硬质衬底15。

柔性衬底11可以是片状，柔性衬底11可以由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，柔性衬底11具有延展性，可以使脑电极单元1贴合头皮。柔性衬底11是绝缘的。

第一硬质衬底14嵌入柔性衬底11，使脑电极单元1可以尽量紧贴头皮，第一硬质衬底14是绝缘的，第一硬质衬底14可以是光刻胶。

第二硬质衬底15连接于第一硬质衬底14，第二硬质衬底15能够导电，第二硬质衬底15可以是金属，例如金。

脑电极针体12整体上是锥体，例如圆锥体。脑电极针体12的底部连接于第一硬质衬底14和/或第二硬质衬底15，脑电极针体12可以容易地刺入皮肤。脑电极针体12与第二硬质衬底15电连接，从而采集脑电信号。

每个脑电极单元1可以包括多个脑电极针体12、第一硬质衬底14和第二硬质衬底15。

第一硬质衬底14和第二硬质衬底15相对于柔性衬底11是硬质的、刚性的。可以理解，由于第一硬质衬底14和第二硬质衬底15是硬质的、刚性的。容易对脑电极针体12容易施加外力，在脑电极针体12刺入皮肤时可以不形变、不断裂。

导电连接部13连接多个第二硬质衬底15，导电连接部13可以形成为类似弹簧的螺旋状，使导电连接部13能够随柔性衬底11变形。

脑电极单元1基于柔性衬底11形成，因此具有可延展性，脑电极单元1可以形变而与头皮保持紧贴，具有良好的赋形性。脑电极单元1可以与头皮同步形变，不出现失配，减少运动伪影的产生。

在其他可能的实施方式中，脑电极针体12还可以是其他锥形，例如螺旋锥体、偏心锥体、棱锥等，其中螺旋锥体可以指外周面具有多个沿其轴向延伸的凹槽的圆锥体，螺旋锥体的横截面为螺旋状或旋涡状。

(脑电极针体)

如图3所示，脑电极针体12包括水凝胶层121、粘附层122和刺入层123。

水凝胶层121可以包括水凝胶和导电聚合物，水凝胶的生物相容性良好，使脑电极针体12能够紧密粘附皮肤的生发层，不发生分离，从而减少在采集脑电过程中运动伪影的出现，降低接触阻抗和电化学噪声。导电聚合物例如是聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，导电聚合物可以提升水凝胶中离子和电子的转换效率。该水凝胶层121是导电水凝胶层。

粘附层122位于水凝胶层121的外层，粘附层122可以包括例如多巴胺，粘附层122可以提高脑电极针体12与皮肤的生发层的粘附性和接触力，使脑电极针体12可以紧密粘附生发层，不发生分离，进而使接触阻抗较低，电化学噪声较小。

刺入层123位于粘附层122的外层，刺入层123可以包括透明质酸，刺入层123可以提高脑电极针体12的力学性能，使脑电极针体12不易形变，不易断裂，容易刺入皮肤角质层。刺入层123可以在脑电极针体22刺入皮肤后自然溶解，从而使粘附层122与皮肤的生发层接触。刺入层123的厚度可以为5至20微米，例如10微米。

脑电极针体12的粘附层122和刺入层123可以通过模板法逐层嵌套制成。

虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限定于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。

Claims (8)

1.一种脑电极单元，其特征在于，所述脑电极单元(1)包括：

柔性衬底(11)，所述柔性衬底(11)为片状；

第一硬质衬底(14)，所述第一硬质衬底(14)嵌入所述柔性衬底(11)，

第二硬质衬底(15)，所述第二硬质衬底(15)连接于所述第一硬质衬底(14)，所述第二硬质衬底(15)能够导电，所述第一硬质衬底(14)和所述第二硬质衬底(15)相对于所述柔性衬底(11)是硬质的、刚性的，以及

脑电极针体(12)，所述脑电极针体(12)连接于所述第一硬质衬底(14)和/或所述第二硬质衬底(15)，所述脑电极针体(12)与所述第二硬质衬底(15)电连接，

所述脑电极针体(12)整体上为锥体，所述脑电极针体(12)包括：

水凝胶层(121)，所述水凝胶层(121)包括水凝胶和导电聚合物；

粘附层(122)，所述粘附层(122)位于所述水凝胶层(121)的外层，所述粘附层(122)包括多巴胺；以及

刺入层(123)，所述刺入层(123)位于所述粘附层(122)的外层，所述刺入层(123)包括透明质酸。

2.根据权利要求1所述的脑电极单元，其特征在于，所述脑电极单元(1)包括多个所述脑电极针体(12)、所述第一硬质衬底(14)和所述第二硬质衬底(15)，

所述脑电极单元(1)还包括导电连接部(13)，所述导电连接部(13)连接多个所述第二硬质衬底(15)。

3.根据权利要求2所述的脑电极单元，其特征在于，所述导电连接部(13)形成为螺旋状。

4.根据权利要求1所述的脑电极单元，其特征在于，所述柔性衬底(11)由聚二甲基硅氧烷制成。

5.根据权利要求1所述的脑电极单元，其特征在于，所述脑电极针体(12)为圆锥体、螺旋锥体、偏心锥体或棱锥。

6.一种阵列化脑电极，其特征在于，所述阵列化脑电极包括脑电极单元(1)，所述脑电极单元(1)是权利要求1至5中任一项所述的脑电极单元(1)。

7.根据权利要求6所述的阵列化脑电极，其特征在于，所述阵列化脑电极还包括连接单元(2)，部分的所述连接单元(2)能够导电，所述连接单元(2)将若干所述脑电极单元(1)连接起来形成网状的阵列。

8.根据权利要求7所述的阵列化脑电极，其特征在于，所述连接单元(2)为弯曲的线状，所述连接单元(2)具有弹性。

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