CN113662552A - 一种在顶颞区三维均匀分布的脑电极阵列及其制备方法 - Google Patents

一种在顶颞区三维均匀分布的脑电极阵列及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在顶颞区三维均匀分布的脑电极阵列及其制备方法。其中所述的在顶颞头皮表面三维均匀分布是指脑电极阵列中相邻脑电极三维空间上的距离相等，在脑电极阵列覆盖的头皮范围内所有的脑电极是均匀分布的。其中所述的二维高密度脑电极阵列是指本发明的脑电极阵列是通过二维平面的微纳加工方法制作的，这些以特定坐标排列的二维脑电极佩戴到三维的头部时，则会三维变形在头皮表面实现脑电极的均匀分布。本发明形成的二维高密度脑电极阵列，在二维平面不是均匀分布，只有佩戴在顶颞头皮表面才会均匀分布，以均匀的距离对运动想象脑区的脑电信号进行记录，以便实现脑电信号记录均匀的空间分辨率。

Description

一种在顶颞区三维均匀分布的脑电极阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于医用器械技术领域、生物医学工程领域、人工智能领域和微纳加工技术领域，涉及高密度脑电极阵列，更具体涉及一种在顶颞区三维均匀分布的脑电极阵列及其制备方法。
背景技术
近年来，基于表面脑电信号的脑机接口已发展成可靠的人机交互、脑机交互、医疗诊断和辅助治疗手段，然而该技术依赖于从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录，是通过脑电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。人体特定部位(如：左手、右手、左脚、右脚、舌头)运动和运动想象时在新皮质功能区域的第4区域及第6区域所触发的脑电信号是研究运动想象的关键。高质量的获取这些区域的脑电信号，是成功实现运动想象的基础。因而基于脑机接口的运动想象性能受到脑电极阵列的重大影响。
然而，当前的脑电帽或脑电极阵列的密度与空间分辨率较低，没有针对顶颞区第4区初级运动皮质与第6区运动前区皮质和辅助运动区皮质进行优化，因而获取这些区域的脑电信号能力相对较差。值得注意的是，多数脑电帽或脑电极阵列的形态是直接的三维形状，加工难度相对较大，存在较多的辅助佩戴结构。因而需要一种能在顶颞头皮表面三维均匀分布的二维高密度脑电极阵列，用来以均匀的距离对运动想象脑区的脑电信号进行记录，以便实现脑电信号记录均匀的空间分辨率。
根据对现有技术的检索发现，Limei Tian,Benjamin Zimmerman,Aadeel Akhtar等人在Nature Biomedical Engineering volume 3,pages194–205(2019)撰文“Large-area MRI-compatible epidermal electronic interfaces for prosthetic controland cognitive monitoring”(用于假肢控制和认知监测的大面积磁共振成像兼容的电子接口)，该研究指出大面积表皮电极能够用来记录头皮表面的脑电信号，相对于传统的脑电极帽，获取到的信号质量明显提高，同时也能获取到更多的细节。但该研究中并没有针对脑电极阵列的分布进行优化设计，也没有考虑二维阵列电极在三维空间的变形，在实际应用中受到限制。
综上所述，虽然对脑电极阵列的研究得到了一定的进展，但是文献中未见报道能够实现在顶颞头皮表面三维均匀分布的二维高密度脑电极阵列。
发明内容
针对脑电极阵列的实际需求与现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于运动想象中脑电信号记录的，能在顶颞区头皮表面三维均匀分布的二维高密度脑电极阵列。其中所述的在顶颞头皮表面三维均匀分布是指脑电极阵列中相邻脑电极三维空间上的距离相等，在脑电极阵列覆盖的头皮范围内所有的脑电极是均匀分布的。其中所述的二维高密度脑电极阵列是指本发明的脑电极阵列是通过二维平面的微纳加工方法制作的，这些以特定坐标排列的二维脑电极佩戴到三维的头部时，则会三维变形在头皮表面实现脑电极的均匀分布。
本发明提供一种在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的制备方法，：包括以下步骤：
(1)基于三维坐标到二维的投影展开方法，获得脑电极阵列佩戴在顶颞区时头皮表面三维均匀分布的二维脑电极的特定坐标排列；所述在顶颞区头皮表面三维均匀分布是指脑电极阵列中相邻脑电极三维空间上的距离相等；
(2)通过二维平面的微纳加工方法制作特定坐标排列的二维脑电极阵列；
(3)将制作好的以特定坐标排列的二维脑电极阵列佩戴到三维的头部，得到三维变形在顶颞区头皮表面实现脑电极的三维均匀分布的高密度脑电极阵列。
本发明中，步骤(1)中，脑电极佩戴在顶颞区时相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米。
本发明中，步骤(2)中，二维高密度脑电极阵列是由导电材料与绝缘材料构成的，其中导电材料构成电极，用来传输脑电信号；绝缘材料构成脑电极阵列的结构，用来对导电材料进行选择性的绝缘，防止信号串扰；二维高密度脑电极阵列中脑电极的直径为0.02-8毫米。
本发明中，步骤(2)中，二维高密度脑电极阵列的相邻脑电极在二维平面上的距离为0.05-15毫米。
本发明中，步骤(2)中，二维高密度脑电极阵列中的脑电极通道数量为64-10240个。
本发明中，步骤(2)中，二维高密度脑电极阵列的厚度为0.01-1毫米，
本发明中，步骤(2)中，二维脑电极阵列中的单个脑电极周围与其它脑电极是割裂开来的，连接的角度为1-60度，以便于二维高密度脑电极在三维空间上变形，从而适应头部的三维形状。
本发明中，步骤(3)中，二维脑电极阵列佩戴后，相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米。
本发明提供一种根据上述的制备方法制得的在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列。优选的，电极阵列中脑电极的直径为0.02-8毫米；脑电极通道数量为64-10240个；脑电极阵列的相邻脑电极在二维平面上的距离为0.05-15毫米，单个脑电极周围与其它脑电极是割裂开来的，连接的角度为1-60度；相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米。传统脑电帽的相邻脑电极在三维空间上的中心距离一般不小于16毫米。本发明所述的高密度脑电极，相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米，显著提升了顶颞区头皮表面脑电信号记录的空间分辨率。
本发明进一步提供上述的高密度脑电极阵列在记录运动想象中脑电信号方面的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明利用二维高密度脑电极在三维空间上的变形，通过优化，精确控制单个脑电极的二维坐标、电极厚度、电极直径、二维距离等参数，从而实现高密度脑电极阵列在顶颞头皮表面三维均匀分布。以均匀的距离对运动想象脑区的脑电信号进行记录，以便实现脑电信号记录均匀的空间分辨率。
本发明使用特定组合的参数，使原本需要三维空间加工的高密度脑电极阵列降低了加工难度，使加工相对复杂的三维脑电极阵列转化为加工相对较为简便的二维脑电极阵列。利用该二维高密度脑电极阵列实现顶颞头皮表面脑电极的三维均匀分布，简化了三维结构，更方便佩戴脑电极阵列。
附图说明
图1为在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的侧视图，包括电极头皮表面位置侧视图与电极皮质位置侧视图。
图2为在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的俯视图，包括电极头皮表面位置俯视图与电极皮质位置俯视图。
图3为能在顶颞区头皮表面三维均匀分布的二维高密度脑电极阵列的平面展开图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种应用于运动想象中脑电信号记录的，能在顶颞区头皮表面三维均匀分布的二维高密度脑电极阵列，具体的：
(1)该高密度脑电极阵列具有128通道独立的脑电极；
(2)该高密度脑电极阵列具有0.02毫米的厚度；
(3)该高密度脑电极阵列中脑电极的直径为2毫米。
(4)该高密度脑电极阵列中的单个脑电极周围与其它脑电极是割裂开来的，连接的角度为5度。
(5)该高密度脑电极阵列中128个单个脑电极的详细二维坐标如表1所示。依据此二维坐标确定相邻脑电极在二维平面上的距离，确定相邻脑电极在三维空间上的距离。
该二维坐标是首先通过在Magnetic Resonance Imaging(MRI)模板头皮表面上排列电极阵列，再将三维坐标转化为二维的。坐标三维转二维是通过Azimuthal EquidistantProjection(AEP，方位等距离投影)方法实现的，是一种类似于世界地图的绘制方法，参考Snyder,John Parr.Map projections–Aworking manual,volume 1395.US GovernmentPrinting Office,1987。尽管这种方法还不能保证二维电极设计出来之后佩戴到三维头部完全贴合，并且适应不同人的头型，但与没有特定设计的二维电极直接贴合到三维头部是有本质差别的。如图1所示为顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的侧视图，包括电极头皮表面位置侧视图与电极皮质位置侧视图，图中脑电极的尺寸不代表真实的尺寸，仅用于示意。图2为在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的俯视图，包括电极头皮表面位置俯视图与电极皮质位置俯视图，图中脑电极的尺寸不代表真实的尺寸，仅用于示意。通过图1与图2可知，该高密度脑电极阵列在顶颞头皮表面是三维均匀分布的。
图3为能在顶颞区头皮表面三维均匀分布的128通道二维高密度脑电极阵列的平面展开图。表1为对应图3中128通道脑电极阵列的128个单个脑电极的二维坐标。依据图1与表1所示脑电极的二维坐标，结合本实施例的其它参数，就能实现高密度脑电极阵列在顶颞头皮表面三维均匀分布，如图1所示。
表1对应图3中128通道脑电极阵列的二维坐标
Figure BDA0003238859330000041
Figure BDA0003238859330000051
续表1
序号 X轴(mm) Y轴(mm) 序号 X轴(mm) Y轴(mm)
33 -75.27 19.73 49 -46.47 8.68
34 -89.98 18.39 50 -60.80 7.79
35 -103.97 17.68 51 -74.59 6.40
36 -119.19 15.00 52 -88.71 4.66
37 116.34 -1.01 53 -102.91 2.52
38 100.49 2.12 54 -117.77 -0.47
39 87.27 5.06 55 113.76 -14.10
40 74.06 6.99 56 98.84 -10.93
41 59.94 8.03 57 85.59 -8.97
42 46.43 8.78 58 73.03 -6.69
43 33.00 10.00 59 60.06 -5.08
44 19.68 11.17 60 46.07 -3.39
45 5.75 11.12 61 32.66 -2.55
46 -6.85 10.47 62 19.50 -1.75
47 -19.64 10.01 63 5.73 -1.27
48 -33.03 9.09 64 -7.00 -1.81
续表1
序号 X轴(mm) Y轴(mm) 序号 X轴(mm) Y轴(mm)
65 -20.00 -2.21 81 5.51 -13.43
66 -32.98 -2.89 82 -6.89 -13.99
67 -45.43 -4.08 83 -18.90 -15.00
68 -59.27 -4.78 84 -31.39 -15.98
69 -72.96 -7.34 85 -44.12 -16.52
70 -86.45 -10.02 86 -57.84 -18.24
71 -99.79 -12.48 87 -71.09 -20.51
72 -113.90 -16.05 88 -83.08 -22.70
73 110.51 -28.37 89 -96.29 -25.80
74 95.48 -24.39 90 -109.63 -30.72
75 82.76 -22.60 91 105.39 -42.84
76 71.06 -20.01 92 -105.46 -44.22
77 58.43 -18.03 93 -92.53 -39.12
78 44.83 -16.01 94 -79.93 -35.51
79 32.09 -14.23 95 -68.39 -32.53
80 19.11 -13.22 96 -56.04 -30.00
续表1
序号 X轴(mm) Y轴(mm) 序号 X轴(mm) Y轴(mm)
97 -43.35 -28.52 113 58.53 48.91
98 -30.87 -27.54 114 -7.27 48.64
99 -18.63 -26.44 115 -19.80 48.02
100 -6.32 -26.06 116 -33.98 47.48
101 5.81 -25.68 117 -47.57 47.54
102 18.20 -26.12 118 -59.25 47.35
103 30.90 -27.19 119 5.46 -33.97
104 43.40 -28.41 120 17.86 -34.44
105 55.91 -30.08 121 30.25 -35.86
106 67.97 -32.33 122 42.93 -37.21
107 80.09 -35.16 123 55.03 -39.75
108 92.23 -38.37 124 -6.00 -34.29
109 5.89 50.03 125 -18.41 -35.06
110 19.11 50.37 126 -30.09 -35.93
111 32.60 50.06 127 -42.73 -37.25
112 45.48 49.30 128 -54.73 -39.81
综上所述，本发明利用上述设计方法与数据，制备得到的二维高密度脑电极阵列，具有以均匀的距离对运动想象脑区的脑电信号进行记录，实现脑电信号记录均匀的空间分辨率的能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）基于三维坐标到二维的投影展开方法，获得脑电极阵列佩戴在顶颞区时头皮表面三维均匀分布的二维脑电极的特定坐标排列；所述在顶颞区头皮表面三维均匀分布是指脑电极阵列中相邻脑电极三维空间上的距离相等；
（2）通过二维平面的微纳加工方法制作特定坐标排列的二维脑电极阵列；
（3）将制作好的以特定坐标排列的二维脑电极阵列佩戴到三维的头部，得到三维变形在顶颞区头皮表面实现脑电极的三维均匀分布的高密度脑电极阵列。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，首先通过在MagneticResonance Imaging (MRI)模板头皮表面上排列电极阵列，再通过三维坐标到二维的投影展开方法将三维坐标转化为二维坐标；三维坐标到二维的投影展开方法采用AzimuthalEquidistant Projection AEP方位等距离投影方法。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，脑电极佩戴在顶颞区时相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，二维脑电极阵列是由导电材料与绝缘材料构成的，其中导电材料构成脑电极，用来传输脑电信号；绝缘材料构成脑电极阵列的结构，用来对导电材料进行选择性的绝缘，防止信号串扰；二维高密度脑电极阵列中脑电极的直径为0.02-8毫米。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，二维高密度脑电极阵列的相邻脑电极在二维平面上的距离为0.05-15毫米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，二维高密度脑电极阵列中的脑电极通道数量为64-10240个。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，二维高密度脑电极阵列的厚度为0.01-1毫米，
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，二维脑电极阵列中的单个脑电极周围与其它脑电极是割裂开来的，连接的角度为1-60度。
8.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的在顶颞区头皮表面三维均匀分布的高密度脑电极阵列。
9.根据权利要求8所述的高密度脑电极阵列，其特征在于，电极阵列中脑电极的直径为0.02-8毫米；脑电极通道数量为64-10240个；脑电极阵列的相邻脑电极在二维平面上的距离为0.05-15毫米，单个脑电极周围与其它脑电极是割裂开来的，连接的角度为1-60度；相邻脑电极在三维空间上的距离为0.1-12毫米。
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