CN114431880A - 脑电信号获取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种脑电信号获取装置。所述脑电信号获取装置，包括颅骨嵌入物以及测量电极，所述颅骨嵌入物能够穿透颅骨并且位于皮肤和硬脑膜之间，所述颅骨嵌入物具有导电性，所述测量电极对应所述颅骨嵌入物置于皮肤表面，脑电信号经由硬脑膜、颅骨嵌入物、皮肤、测量电极的路线进行传递。本发明的所述脑电信号获取装置第一方面不需要实施存在风险的开颅手术，实施方式简单。在第二方面，脑电信号通过颅骨嵌入物进行传递，在传递过程中受到的干扰更少，显著提高了脑电信号的信噪比。第三方面，本发明的所述脑电信号获取装置信号传递稳定，可以实现长时程的植入，并且隐蔽性好。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种脑电信号获取装置。
背景技术
脑-机接口技术(Brain-Machine/ComputerInterface，BMI/BCI)是指在大脑与外部电子设备之间搭建沟通控制的桥梁，通过对神经电生理信号的采集和解码，实现人脑与机器之间的交流通信。脑-机接口技术不仅对于脑神经疾病诊断和机制研究具有重要意义，在应急救灾、工业生产乃至军事科学领域有着广泛的应用前景。
脑机接口分为侵入式、非侵入式与部分侵入式三种，其中侵入式脑机接口主要用于重建特殊感觉(例如视觉)以及瘫痪病人的运动功能。此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质，因而所获取的神经信号的质量比较高。非侵入式脑机接口主要根据脑电图(EEG)原理工作。脑电图主要用于医学领域中观察和分析病人的脑电波活动。在医疗设备中，脑电图是通过将多个电极连接到病人头皮上来实现的。脑电图测量由大脑神经元内离子电流引起的电压波动。脑电图记录了大脑在一定时期内的自发电活动。大多数非侵入式脑机接口模型都使用脑电图的概念。部分侵入式脑机接口一般植入到颅腔内，但是位于灰质外。其获得脑电波的清晰度虽然不如侵入式，但优于非侵入式，且其另一优点是引发免疫反应和愈伤组织的几率较小。
综合上述分析，侵入式与部分侵入式的脑机接口均需要进行开颅手术，风险很大，但若选择不开颅的非侵入式脑机接口，其所获信号质量较差。为此，亟需一种脑电信号获取装置，在不实施开颅手术的前提下，获得相比现有非侵入式脑机接口更好的信号质量。
发明内容
基于此，有必要针对目前脑电信号获取时存在的问题，提供一种脑电信号获取装置。
本发明公开了一种脑电信号获取装置，包括颅骨嵌入物以及测量电极，所述颅骨嵌入物能够穿透并嵌入在颅骨中并且位于皮肤和硬脑膜之间，所述颅骨嵌入物具有导电性，所述测量电极对应所述颅骨嵌入物置于皮肤表面，脑电信号经由硬脑膜、颅骨嵌入物、皮肤、测量电极的路线进行传递。
在其中一个实施例中，所述颅骨嵌入物为直径小于3mm的柱状导电结构。
在其中一个实施例中，所述柱状导电结构沿着从皮肤向硬脑膜的方向直径逐渐减小。
在其中一个实施例中，所述柱状导电结构垂直于颅骨表面设置。
在其中一个实施例中，所述颅骨嵌入物及与其对应的测量电极的数目为不止一个。
在其中一个实施例中，所述颅骨嵌入物通过生物金属材料或者离子溶液制得。
在其中一个实施例中，所述离子溶液为生理盐水。
在其中一个实施例中，所述测量电极为脑电图电极。
在其中一个实施例中，所述测量电极包括相互连通的采集电极、参考电极以及接地电极。
在其中一个实施例中，所述采集电极、参考电极以及接地电极上均设置有电极片，所述采集电极、参考电极以及接地电极之间通过传输集束线相互连通。
有益效果
本发明的所述脑电信号获取装置第一方面不需要实施存在风险的开颅手术，仅需在颅骨上进行钻孔并嵌入颅骨嵌入物即可，不需要破坏脑组织，实施方式简单。在第二方面，本发明的所述脑电信号获取装置在将颅骨嵌入物设置完成后，通过颅骨嵌入物与硬脑膜的接触，由于颅骨嵌入物的导电性显著优于颅骨，所以脑电信号必然会通过颅骨嵌入物而非通过颅骨进行传递，因此脑电信号在传递过程中受到的干扰更少，显著提高了脑电信号的信噪比。第三方面，本发明的所述脑电信号获取装置的颅骨嵌入物不会从皮肤中穿出，测量电极直接置于皮肤表面来获取信号，信号传递稳定，可以实现长时程的植入，并且隐蔽性好，不会对使用者的日常生活造成影响。
附图说明
图1为本发明部分实施例中的所述脑电信号获取装置的示意图；
图2为本发明部分实施例中的所述脑电信号获取装置的使用示意图；
图3为本发明部分实施例中的所述脑电信号获取装置的结构图。
其中，1为颅骨，2为皮肤，3为硬脑膜，4为脑组织，5为颅骨嵌入物，6为测量电极，61为采集电极，62为参考电极，63为接地电极，64为传输集束线，65为电极片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
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地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的脑电信号获取装置安装完成后的示意图，所述脑电信号获取装置包括颅骨嵌入物5以及测量电极6，所述颅骨嵌入物5具有良好导电性，所述颅骨嵌入物5嵌入并穿透所述颅骨1，但并不穿透颅骨1下方的硬脑膜3，而是与其相接触，同时，所述颅骨嵌入物5在安装完成后也不向上穿透颅骨1上方的皮肤2。所述测量电极6对应颅骨嵌入物5的位置，并置于皮肤2的表面。如此，如图2所示，脑电信号能够由脑组织4产生，并依次经由硬脑膜3、颅骨嵌入物5、皮肤2、测量电极6传递给外部装置，最终获取脑电图。
通过上述表述可知，本发明的所述脑电信号获取装置第一方面不需要实施存在风险的开颅手术，仅需在颅骨上进行钻孔并嵌入颅骨嵌入物5即可，不需要破坏脑组织，实施方式简单。在第二方面，本发明的所述脑电信号获取装置在将颅骨嵌入物5设置完成后，通过颅骨嵌入物5与硬脑膜的接触，由于颅骨嵌入物5的导电性显著优于颅骨，所以脑电信号必然会通过颅骨嵌入物5而非通过颅骨进行传递，因此脑电信号在传递过程中受到的干扰更少，显著提高了脑电信号的信噪比。第三方面，本发明的所述脑电信号获取装置的颅骨嵌入物5不会从皮肤中穿出，测量电极直接置于皮肤表面来获取信号，信号传递稳定，可以实现长时程的植入，并且隐蔽性好，不会对使用者的日常生活造成影响。相比之下，现有的侵入式或部分侵入式脑机接口，其测量电极的连接导线需要通过不同的软组织，这些软组织的酸碱度不同，应力也不同，导致连接导线非常容易出现折断的问题，使用可靠性不佳，而且会使使用者的形象异于常人，严重影响使用者的日常生活质量。
具体来说，如图1所示，在部分实施例中，所述颅骨嵌入物5是柱状的导电结构。优选的，所述柱状导电结构的直径应当小于3mm。如此设置，在保证良好的信号质量的同时，可以进一步减少对使用者颅骨的影响。
进一步优选的，所述柱状导电结构沿着从皮肤2向硬脑膜3的方向直径逐渐减小。如此，朝向硬脑膜3的直径较小的柱状导电结构的端部能够顺利地执行脑电信号传递的任务，朝向皮肤2的直径较大的端部能够被测量电极6正常测量。这种颅骨嵌入物5在保证脑电信号质量的前提下，对使用者的影响更小。
在部分实施例中，如图1所示，本发明的所述颅骨嵌入物5垂直于颅骨表面设置。这种颅骨嵌入物5可以被更加容易地设置在颅骨上。
需要说明的是，为了提高脑电信号的质量，所述颅骨嵌入物5应当选择导电性良好，且具有良好生物相容性的导电介质制成。举例来说，在部分实施例中，所述颅骨嵌入物5由生物金属材料制成，例如铂铱合金。由于铂铱合金具有非常高的导电率，且具有不会生锈的特点，因此其非常适合作为颅骨嵌入物5，可以长时间的嵌入在颅骨1内，有效降低脑电信号穿过颅骨时的衰减，大幅提高脑电信号的信噪比。在另一些实施例中，所述颅骨嵌入物5为离子溶液，具体来说为生理盐水，所述生理盐水从颅骨上开孔注入，使皮肤2与硬脑膜3之间由生理盐水构成的颅骨嵌入物5所导通，使得脑电信号可以经由生理盐水构成的颅骨嵌入物5从硬脑膜3穿过颅骨1上的开孔传递至皮肤2上，并被测量电极6所获取。
具体来说，本发明的所述脑电信号获取装置，所述测量电极6为脑电图(EEG)电极。如图3所示为部分实施例中所述脑电信号获取装置的具体结构图。在该实施例中，所述测量电极6包括相互连通的采集电极61、参考电极62以及接地电极63，所述采集电极61对应所述颅骨嵌入物5设置在皮肤上，采集脑电信号，所述参考电极62通常设置在使用者身体上相对零电位点，例如使用耳垂、鼻尖或乳突部。通过分别计算采集电极61与接地电极63的电势差，以及参考电极62与接地电极63的电势差，并将两个电势差进行相减，从而可以得到采集电极61与参考电极62之间的电势差，而该电势差则代表了准确的脑电信号。
具体来说，所述采集电极61、参考电极62以及接地电极63上均设置有电极片65，其材料可以为铂金或者银或者氯化银等，所述采集电极61、参考电极62以及接地电极63之间通过传输集束线64相互连通。
可以理解的，本发明的所述脑电信号获取装置，其颅骨嵌入物5可以为不止一个，因此与颅骨嵌入物5对应的测量电极6的数目也可以为不止一个。通过在颅骨1特定位置分散布置多个颅骨嵌入物5，使得多个颅骨嵌入物5可以看作特定位置的空域滤波器。由此可知，通过使用本发明的所述脑电信号获取装置，可以针对特定测量任务在颅骨特定位置设置颅骨嵌入物5，从而在特定位置处得到相比传统侵入式脑机接口效果更好的脑电信号，手术量也大大减少。
本发明的脑电信号获取装置在使用时，将上述任一所述的脑电信号获取装置的颅骨嵌入物5插入颅骨，将测量电极6对应所述颅骨嵌入物5的位置设置在皮肤上，实现脑电信号的检测。具体来说，在部分实施例中，本发明的所述脑电信号获取装置在使用时包括以下步骤：
(1)切开颅骨的表皮组织并止血。本步骤中还可以使用超声骨刀、电刀、激光刀、手术刀或者LEEP刀等设备完成；
(2)在颅骨上开孔，并将所述脑电信号获取装置中的所述颅骨嵌入物放入所述开孔；
(3)将测量电极设置在颅骨嵌入物对应位置的皮肤上。
使用本发明的脑电信号获取装置对生物体进行生理信号的监测时具有以下的技术优势：监测生物体的生理信号时，方便快捷，需要的时间很短；可以通过频率的调控实现在钻透骨头时不伤到软组织；相比于EEG等传统式非侵入式电生理监测方法，使用本发明的脑电信号获取装置所获电生理信号质量更高，抗噪能力鲁棒性与稳定性更好；相比于ECoG等传统侵入式/半侵入式电生理监测方法，使用本发明的脑电信号获取装置进行脑电信号的获取手术风险极小，而且因手术操作不熟练而造成的意外较小。另外，所述脑电信号获取装置还可以包括压力传感器和限位器，从而可以完全实现自动化手术植入的功能，非常有利于推广。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种脑电信号获取装置，其特征在于，包括颅骨嵌入物以及测量电极，所述颅骨嵌入物能够穿透并嵌入在颅骨中并且位于皮肤和硬脑膜之间，所述颅骨嵌入物具有导电性，所述测量电极对应所述颅骨嵌入物置于皮肤表面，脑电信号经由硬脑膜、颅骨嵌入物、皮肤、测量电极的路线进行传递。
2.根据权利要求1所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述颅骨嵌入物为直径小于3mm的柱状导电结构。
3.根据权利要求2所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述柱状导电结构沿着从皮肤向硬脑膜的方向直径逐渐减小。
4.根据权利要求2所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述柱状导电结构垂直于颅骨表面设置。
5.根据权利要求1所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述颅骨嵌入物及与其对应的测量电极的数目为不止一个。
6.根据权利要求1-5任一所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述颅骨嵌入物通过生物金属材料或者离子溶液制得。
7.根据权利要求6所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述离子溶液为生理盐水。
8.根据权利要求1所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述测量电极为脑电图电极。
9.根据权利要求8所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述测量电极包括相互连通的采集电极、参考电极以及接地电极。
10.根据权利要求9所述的脑电信号获取装置，其特征在于，所述采集电极、参考电极以及接地电极上均设置有电极片，所述采集电极、参考电极以及接地电极之间通过传输集束线相互连通。
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