CN113940678B - 一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽 - Google Patents

Abstract

本发明属于电生理信号检测技术领域，具体为一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽。本发明的脑电帽为三层结构，外层为固定层，中间层为导电层，内层为绝缘屏蔽层；固定层内侧有带孔的凸起支点，位置和柔性脑电电极位置对应；外侧带有可拆卸的硬件盒，用于放置相应的硬件模块；以及起到收紧固定作用的下巴带；导电层上印有带孔的柔性脑电电极、导线和对应引出的接口；绝缘屏蔽层在柔性脑电电极对应的位置开孔，其它部分都是绝缘的，并带有屏蔽功能。本发明的脑电帽直接将脑电电极及对应的连线集成在一起，具有良好的接触、方便的佩戴方式、舒适的佩戴体验，大幅简化了脑电监测的前期工作。

Description

一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽

技术领域

本发明属于生理信号检测技术领域，具体为一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽。

背景技术

脑电波（Electroencephalogram, EEG）信号是由大脑皮层或头皮表面神经元细胞体生理活动产生的电位信息的综合，包含有大脑丰富的节律信息[1]，可广泛应用于脑疾病诊断，康复，脑机接口（BCI），疲劳检测等领域。它被认为是检测癫痫发作，心理性非癫痫发作，偏头痛，脑病等疾病的主要方法[2]，同时也是睡眠疾病诊断的重要依据。目前通常是先带上脑电帽，然后再安装脑电电极，以金杯电极（Gold Cup Electrode）[3]和Ag/AgCl电极[4]为代表。使用时，需要使用导电膏将金杯电极和皮肤进行连接，等待充分接触并且信号稳定之后进行信号的采集。其作为EEG信号采集的标准电极，具有导电性能优良、信号稳定、信号信噪比高等优点。但是导电膏的涂覆需要在医护人员的帮助下使用大量的时间完成，并且长时间的采集将会导致被试者的不适，严重时将会导致过敏红肿反应。此外，实验后的清洗也非常麻烦。安装完电极之后，还需要整理好电极的导线，不仅工作繁琐，而且导线必然会影响到被试者的行为和舒适度。

为了解决湿式电极的问题，各种研究都致力于研发不需要使用导电膏、导电凝胶的干式电极。干式电极由于不需要皮肤准备以及涂抹导电膏等操作，其非常适合应用于未来健康监护、康复、疾病诊疗以及脑机接口BCI等领域。微针电极[5]是目前脑电采集技术中最普遍采用的干电极。但是使用时要避免伤到真皮层、避免对神经和血管的伤害。为了解决导线连接存在的问题，市面上也出现了一些无线传输的脑电设备，但是这些设备有特定的使用场景和功能，并且显得笨重[6]。比如多爪结构的只适用于站立或坐立的时候使用，不适合用于睡眠过程中。而且导联数较少，不能完全覆盖整个脑功能区域。

为了克服传统湿式电极脑电帽的操作复杂、难以长时间可穿戴式采集信号，以及克服现有干式电极无线脑电帽限制多、导联少等缺点，本发明提出了一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽。该脑电帽有着传统脑电帽的全导联数，同时穿戴便捷舒适，场景限制少，大幅简化了脑电监测的前期工作，适用于健康监护、可穿戴式脑电信号采集等领域。

参考文献

[1] 韩丰谈,朱险峰.医学影像设备安装与维修学[M].北京:人民卫生出版社,2008:162-172.

[2] Acharya, D., Rani, A., & Agarwal, S. (2015, September). EEG dataacquisition circuit system Based on ADS1299EEG FE. In Reliability, InfocomTechnologies and Optimization (ICRITO)(Trends and Future Directions), 20154th International Conference on (pp. 1-5). IEEE.

[3] Tallgren, P., Vanhatalo, S., Kaila, K., &Voipio, J. (2005).Evaluation of commercially available electrodes and gels for recording ofslow EEG potentials. Clinical Neurophysiology, 116(4), 799-806.

[4] Verma, N., Shoeb, A., Bohorquez, J., Dawson, J., Guttag, J., &Chandrakasan, A. P. (2010). A micro-power EEG acquisition SoC with integratedfeature extraction processor for a chronic seizure detection system. IEEEJournal of Solid-State Circuits, 45(4), 804-816.

[5] 刘冉,王晓浩,&周兆英.(2004).MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用.生物医学工程学杂志,21(3),482-485.

[6] DSI-24无线干电极脑电采集系统，http://www.neuracle.tech。

发明内容

本发明旨在提供一种穿戴便捷舒适、活动限制少、低成本的一体式柔性脑电帽。

本发明提供的一体式柔性脑电帽，由帽子形状的固定层、导电层和绝缘屏蔽层由外至内依次叠合构成，其结构参见图图2-图6，图中电极的分布及数量只是示意。其中：

所述固定层，其内侧有带孔的凸起支点，该孔的孔径与柔性脑电电极的开孔孔径一致，该凸起支点位置和柔性脑电电极位置对应，用于压紧导电层上对应的柔性脑电电极，使其可以与皮肤充分接触；其外侧带有可拆卸的硬件盒，用于放置相应的硬件模块；固定层还设有用于收紧的下巴带。其结构参见图4。

所述导电层，其上印有带孔的柔性脑电电极、导线和对应引出的接口；柔性脑电电极面积比固定层内侧的凸起支点面积略大，经过该凸起支点压紧之后，可以与皮肤充分接触，进行脑电信号的感知；电极引出的导线也和电极一起印刷在导电层上；通过印刷的导线在后面汇总，通过统一的排线将电极接口引出，方便与硬件模块的插拔连接。其结构参见图5。

所述绝缘屏蔽层，用于屏蔽人体电磁干扰，同时也防止导电层上的电极导线和人体的误接触；绝缘屏蔽层中，在和固定层的凸出支点以及导电层的柔性脑电电极对应的位置处有开孔，该开孔的面积与对应的柔性脑电电极面积相当。其它部分都是带有屏蔽功能的绝缘层，其结构参见图6。

本发明中，所述固定层，其材料可以为硅胶，或者为柔性布料结合软体海绵、硅胶、毛毡组成。

本发明中，所述屏蔽绝缘层由以下一种或几种组合构成：聚乙烯薄膜、锡纸、电磁屏蔽网。

本发明中，为了便于脑电帽可水洗，所述导电层采用三明治结构，包括柔性布基，印刷或者贴敷在柔性布基表面的一层防水薄膜，制作在薄膜表面的印刷电路，印刷或者贴敷在印刷电路上的一层防水薄膜。导电层采用如下方式制作：先在柔性布基表面印刷或者贴敷一层薄膜，然后在其薄膜表面印刷导电银浆，烘干处理后再印刷或者贴敷一层薄膜。所述防水薄膜可以采用聚氨酯薄膜等。

本发明中，所述脑电电极为干电极。

本发明中，所述脑电电极和电极导线，可以单独使用银纳米线（如2-7wt%的）制作，也可以使用金属、纳米填料和弹性聚合物混合制作；其中，所述金属如金、银、铜、镍等，所述纳米填料如纳米线，纳米颗粒、纳米片等，所述弹性聚合物如聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯、氟橡胶等。

本发明具体佩戴使用：

第一步，戴上一体式柔性脑电帽，下巴带不收紧；

第二步，通过固定层、导电层、绝缘屏蔽层上的开孔拨开电极下的头发；

第三步，通过收紧下巴带将整个脑电帽完全固定，完成佩戴脑电帽的过程；

第四步，将相应的硬件模块放入到硬件盒中，并和导电层引出的接口相连，由于是固定的排线接口，直接对插即可，连接方便快捷；最终效果参见图1。

本发明的一体式柔性脑电帽为一体式设计、电极和电极帽无需拆装。在整个使用过程中，安装拆卸简单、便捷。并可进行水洗、多次反复使用。脑电电极是印刷的干电极，无需皮肤预处理，对皮肤伤害小。另外，该一体式脑电帽具有良好的接触、方便的佩戴方式、舒适的佩戴体验，提供了一种低成本、穿戴便捷舒适的脑电帽，大幅简化了脑电监测的前期工作。本发明操作简便，制作周期短，易于大规模生产。

本发明的特点：

所述一体式柔性脑电帽为一体式设计，可水洗，可多次反复使用；

所述一体式柔性脑电帽中的脑电电极具有良好的接触柔性；

所述一体式柔性脑电帽中的脑电电极为干电极，无需皮肤预处理，对皮肤伤害小；

所述一体式柔性脑电帽将电极和导线统一印刷在导电层，很好地隐藏了原本杂乱的导线；

所述一体式柔性脑电帽将脑电电极及导线集成在脑电帽中，穿戴方便快捷；

所述电极接口集中使用统一接口，保证连接性的同时方便插拔；

所述硬件盒为可拆卸，可根据具体使用场景进行选用，有很大的灵活性。

附图说明

图1为一体式柔性脑电帽效果图。

图2为一体式柔性脑电帽爆炸示意图。

图3为一体式柔性脑电帽剖面分层图。

图4为固定层图示。

图5为导电层图示。

图6为绝缘屏蔽层图示。

图中标号：1为固定层，2为导电层，3为绝缘屏蔽层，4为固定层内侧的开孔，5为固定层上的凸起支点，6为下巴带，7硬件盒，8为导电层上的开孔，9为柔性脑电电极，10为导线，11为电极接口，12 为屏蔽层上的开孔。

具体实施方式

固定层采用硅胶制成，具有固定作用的同时，还有一点柔软度，提升穿戴的舒适感。尤其是对于内侧的凸出支点，有点弹性，可以更好地压合脑电电极，保证电极与皮肤的充分接触。硬件盒使用ABS材料，留有一个矩形孔用于和脑电电极引线接口相连。硬件盒与固定层之间通过魔术贴连接固定。

导电层则先在布基表面印刷或者贴敷一层薄膜，然后在其表面印刷导电银浆，烘干处理后再印刷或者贴敷一层薄膜，这样三明治结构保证可水洗。导电银浆，主要成分为5wt%的银纳米线（Ag NWs），在满足导电性的情况下，同时具有很好柔软性。引线接口末端做成FPC接口形式，方便与硬件模块相连。

绝缘屏蔽层通过在锡纸两面覆上绝缘薄膜。锡纸主要用于屏蔽人体对信号的干扰，绝缘薄膜用于隔绝导电层与屏蔽层的电气连接，同时防止导电层和屏蔽层与人体的误接触。绝缘薄膜采用的是聚乙烯薄膜，聚乙烯是一种白色半透明固体，有良好的摩擦性，化学稳定高，能耐大多数酸、碱的瀑蚀，吸湿性小，绝缘性能和耐辐射性尤为突出。用聚乙烯制成的绝缘薄膜，质地坚韧，到80℃仍能保持其柔软性。

将硅胶固定层、导电布料层、聚乙烯锡纸绝缘屏蔽层按从外到内的顺序压合在一起，就形成了本发明中的一体式柔性脑电帽的基本结构。再将硬件盒放在固定层的中间即可放置硬件模块，这就实现了不影响行动，完全独立的一个穿戴便捷的一体式柔性脑电帽。

按照上述的穿戴步骤：

第一步，戴上一体式柔性脑电帽，下巴带不收紧；

第二步，通过固定层、导电层、绝缘屏蔽层上的开孔拨开电极下的头发；

第三步，通过收紧下巴带将整个脑电帽完全固定，完成佩戴脑电帽的过程；

第四步，将相应的硬件模块放入到硬件盒中，并和导电层引出的接口相连，由于是固定的排线接口，直接对插即可，连接方便快捷。

第四步中的硬件模块使用的是带有无线通信功能的脑电信号采集处理模块，该模块通过锂电池供电，锂电池也一并放入硬件盒中。通过硬件盒的接口孔和导电层的FPC接口连接。这样就实现了一个完整的穿戴便捷的一体式柔性脑电帽设备，可以实现脑电信号的实时采集。对人的行动影响小，可以24小时穿戴监测。将硬件盒放于头顶部位，整个脑电帽完全的无线化，而且完全采用有柔韧性的材料，即使睡眠也能提供一个舒适的脑电监测体验。最终效果参见图1。

Claims (4)

1.一种穿戴便捷舒适的一体式柔性脑电帽，其特征在于，由帽子形状的固定层、导电层和绝缘屏蔽层由外至内依次叠合构成，其中：

所述固定层，其内侧有带孔的凸起支点，该孔的孔径与柔性脑电电极的开孔孔径一致，该凸起支点位置和柔性脑电电极位置对应，用于压紧导电层上对应的柔性脑电电极，使其可以与皮肤充分接触；其外侧带有可拆卸的硬件盒，用于放置相应的硬件模块；固定层还设有用于收紧的下巴带；

所述导电层，其上印有带孔的柔性脑电电极、导线和对应引出的接口；柔性脑电电极面积比固定层内侧的凸起支点面积略大，经过该凸起支点压紧之后，可以与皮肤充分接触，进行脑电信号的感知；电极引出的导线也和电极一起印刷在导电层上；通过印刷的导线在后面汇总，通过统一的排线将电极接口引出，与硬件模块的插拔连接；

所述绝缘屏蔽层，用于屏蔽人体电磁干扰，同时也防止导电层上的电极导线和人体的误接触；绝缘屏蔽层中，在和固定层的凸出支点以及导电层的柔性脑电电极对应的位置处有开孔，该开孔的面积与对应的柔性脑电电极面积相当；

所述固定层由单一硅胶构成，或者由柔性布料、软体海绵、硅胶、毛毡组成构成；

所述脑电电极为干电极。

2.根据权利要求1所述的一体式柔性脑电帽，其特征在于，所述绝缘屏蔽层由以下一种或几种组合构成：聚乙烯薄膜、锡纸、电磁屏蔽网。

3.根据权利要求1所述的一体式柔性脑电帽，其特征在于，所述导电层采用三明治结构，包括柔性布基，印刷或者贴敷在柔性布基表面的一层防水薄膜，制作在薄膜表面的印刷电路，印刷或者贴敷在印刷电路上的一层防水薄膜。

4.根据权利要求1所述的一体式柔性脑电帽，其特征在于，所述脑电电极和电极导线使用银纳米线制作，或者使用金属、纳米填料和弹性聚合物混合制作；其中，所述金属为金、银、铜或镍，所述纳米填料为纳米线，纳米颗粒或纳米片，所述弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯或氟橡胶。