CN116458889A - 一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极及其应用，其中自粘附电极包括含有Ag/AgCl材料的电极、导电层和基底。导电层通过在离子导电水凝胶体系中加入纳米粘土，改变了水凝胶与皮肤的接触特性，可使导电层和皮肤之间紧密耦合，从而能实现长时间稳定且较低的接触阻抗、抗干扰的效果。此外，所述导电层具有良好的拉伸强度和粘弹性，因此无需采用泡棉、无纺布和压敏胶等常用电极辅助材料，即可获得一种仅依靠导电层实现粘附的湿电极。该电极克服了常用电极的接触阻抗不能长时间保持稳定的缺点，并且简化了电极的固定方式，可用于脑电、心电和肌电等生理信号的持续采集，具有接触阻抗稳定、结构简单、保水性好和生物相容性好等优点。

Description

一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极及其应用
技术领域
本发明属于生物电极技术领域，具体涉及一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极及其应用。
背景技术
生物电信号是伴随着生物体内的生命活动产生的，例如心电信号、脑电信号、肌电信号等。生物电极是一种用于测量生物电信号的传感器，被广泛应用于医疗、生理学研究、神经科学、人机交互等领域。生物电信号十分微弱(mv、μV级别)，目前的生物电极在使用中不能长时间保证和皮肤之间的接触阻抗的稳定性，进而严重影响信号质量。
生物电极利用Ag/AgCl电极和导电膏中Cl-发生电化学氧化还原反应 的方式完成信号采集，导电膏可以浸润皮肤，保证了电极和皮肤的稳定接触，此外，Ag/AgCl电极拥有极稳定的半电池电位，共同使得电极接触阻抗低且稳定，Ag/AgCl电化学体系是采集生理电信号最为有效的“金标准”方式。然而导电膏具有难以清理、使用不方便的缺点，因此干电极和凝胶湿电极受到越来越多的关注。干电极由金属等导电物质组成，不使用导电膏，在皮肤表面依靠电容耦合的方式采集电信号，这种电极因柔韧性差，和皮肤连接不紧密，接触面不稳定，导致接触阻抗高且不稳定。为了减小接触阻抗，干电极通过增大压力的方式加强与皮肤接触的紧密程度，如使用绷带缠绕固定，患者舒适性差。后来出现基于导电柔性材料的干电极极大改善了舒适性和接触问题，如专利号为CN202080072889.8的专利中公开了一种用导电物质PEDOT：PSS和水性聚氨酯做成生理电极的应用，然而这种电极仍使用干电极的电容耦合的采集方式，接触阻抗不稳定且较高。目前普遍使用的贴片式凝胶湿电极由Ag/AgCl电极、离子导电水凝胶和压敏胶构成，由于凝胶强度低，黏性差，无法保证水凝胶和皮肤之间的耦合性，接触阻抗不稳定，此外，由于凝胶拉伸强度低和粘弹性差，无法独立将电极固定在皮肤上，因此需要在电极周围大面积地增加一圈压敏胶，用于辅助固定电极，因此导致电极较大。
为此，本发明设计了一种具有低接触阻抗的自粘附电极，克服了常用电极的接触阻抗不能长时间保持稳定的缺点，并且简化了电极的固定方式，具有接触阻抗稳定、结构简单、保水性好和生物相容性好等优点。
发明内容
本发明的第一个目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极。所述电极通过导电层与皮肤紧密耦合，接触阻抗长期稳定且较低，信号稳定、不易受干扰，无需采用压敏胶固定。
一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，所述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极包括含有Ag/AgCl材料的电极、导电层和基底；所述导电层的一端与所述含有Ag/AgCl材料的电极的一端连接，另一端用于与皮肤紧密耦合；所述含有Ag/AgCl材料的电极的另一端与所述基底的一端连接；
将溶剂、单体、交联剂、纳米粘土和氯化钠混合均匀后冷藏，然后加入引发剂和催化剂后搅拌均匀，制得预聚液；将预聚液倒入模具中聚合成型，制得所述纳米粘土水凝胶；其中，单体为丙烯酰胺(AM)，溶剂为去离子水和甘油的混合溶液。
作为优选，所述交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，纳米粘土为LaponiteXLS，引发剂为过硫酸铵(APS)，催化剂为N,N,N',N'-四甲基二乙胺(TEMED)。
作为优选，所述单体、氯化钠和交联剂的质量体积比为(15～20)mg：3mg：3μL。
作为优选，所述纳米粘土的质量占预聚液总质量的0.1～0.5％，更优选为0.5％。
作为优选，冷藏时间为25～35min。
作为优选，冷藏温度为8～10℃。
作为优选，引发剂、催化剂和交联剂的体积比为(1～1.5)：1：6。
作为优选，聚合成型的时间为8～10h。
作为优选，聚合成型的温度为35～45℃。
作为优选，所述基底包括电极公扣、无纺布和PET膜，所述无纺布和PET膜中心开设有通孔；所述含有Ag/AgCl材料构成的电极包括一体成型的片状组件和柱状组件，表面包覆有Ag/AgCl材料；所述柱状组件的一端与所述片状组件的一侧连接，所述柱状组件的另一端穿过无纺布和PET膜的通孔，与电极公扣嵌合；所述片状组件嵌入在所述导电层内，所述无纺布和PET膜设置在所述导电层的一侧；所述无纺布与所述导电层接触，所述PET膜与所述电极公扣接触；所述PET膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
本发明的第二个目的是提供上述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极在采集生物电信号方面的应用。
作为优选，所述生物电信号包括心电和脑电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明电极能实现长时间稳定且较低的接触阻抗、抗干扰的效果；本发明在导电层中加入了纳米粘土，改变了水凝胶与皮肤的接触特性，并且提升了导电层的机械性能，使其在与皮肤牢固紧密贴合的情况下，从而实现了与皮肤的紧密耦合，遭受晃动、移动等干扰仍能保持导电层与皮肤原本的接触状态，使得电极的阻抗值能够长时间稳定在较低的水平，因此在一定运动条件下，电极也可以保持稳定地采集生理电信号，而不会像采用压敏胶辅助固定的电极一样受到干扰。
(2)本发明的电极具有自黏附性能，导电层具有良好的拉伸强度和粘弹性，仅依靠导电层，电极就能牢固黏附在皮肤上，因此不需要采用泡棉、无纺布和压敏胶等常用电极辅助材料，从而避免了采用压敏胶时会产生的皮肤发炎，大面积皮肤占用的负面效果，且剥离后不会对皮肤造成损伤，提升了使用舒适感和生物相容性。
(3)本发明电极在制备时，将无纺布、PET膜、电极公扣和含有Ag/AgCl材料的电极组装嵌合后放入模具中，然后将预聚液倒入自制模具，预聚液同时接触含有Ag/AgCl材料的电极和无纺布后浸润无纺布，聚合成型后导电层和无纺布结合紧密，从而防止二者脱离后对信号质量产生影响。
(4)本发明的电极具有较佳的保水性能。一方面，水凝胶与纳米粘土提升机械强度的同时，提高了保水能力；另一方面，加入甘油进一步提高了保水能力。
(5)本发明的电极采用湿电极采集原理，水凝胶作为含有Ag/AgCl材料的电极与皮肤连接介质，电荷通过水凝胶中盐与Ag/AgCl的氧化还原反应传输。
附图说明
图1为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极的结构图。
图2为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极的成型模具图。
图3为实施例1制备得到的纳米粘土水凝胶的拉伸测试结果图。
图4为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极在不同纳米粘土含量情况下的拉伸性能对比。
图5为实施例1制备得到的纳米粘土水凝胶的黏性测试结果图。
图6为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极在不同纳米粘土含量情况下的黏附性能对比。
图7为纳米粘土水凝胶电极对阻抗测试结果图。
图8为对比电极以及纳米粘土水凝胶电极-皮肤阻抗6小时稳定性测试结果图。
图9为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极采集脑电的信号图。
图10为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极采集脑电的功率谱图。
图11为具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极与对比电极在运动干扰下采集心电的结果对比，其中(a)为使用本发明电极得到的心电信号进行包络处理的结果，(b)为使用对比电极得到的心电信号进行包络处理的结果。
具有实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，提出了本发明的技术方案，其主要是依据至少包括：
本发明公开了一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，所述电极能实现长时间稳定且较低的接触阻抗；本发明在导电层中加入了纳米粘土，提升了导电层的机械性能，使其在与皮肤牢固紧密贴合的情况下，遭受形变仍能保持原本的接触状态，从而实现了与皮肤的紧密耦合，使得电极的阻抗值能够长时间稳定在较低的水平，从而实现抗干扰的效果。同时，本发明的电极具有自黏附性能，不需要常用的辅助固定方式，如压敏胶，提升了使用舒适感和生物相容性。
本发明公开了一种所述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，包括含有Ag/AgCl材料的电极1、导电层2和基底3；所述导电层2的一端与所述含有Ag/AgCl材料的电极1的一端连接，另一端用于与皮肤紧密耦合；所述含有Ag/AgCl材料的电极1的另一端与所述基底3的一端连接；所述基底3包括电极公扣、无纺布和PET膜，所述无纺布和PET膜中心开设有通孔；所述含有Ag/AgCl材料构成的电极包括一体成型的片状组件和柱状组件，表面包覆有Ag/AgCl材料；所述柱状组件的一端与所述片状组件的一侧连接，所述柱状组件的另一端穿过无纺布和PET膜的通孔，与电极公扣嵌合；所述片状组件嵌入在所述导电层2内，所述无纺布和PET膜设置在所述导电层2的一侧；所述无纺布与所述导电层2接触，所述PET膜与所述电极公扣接触；
所述导电层2的材质采用纳米粘土水凝胶，所述纳米粘土水凝胶采用如下步骤制备得到：
将溶剂、丙烯酰胺AM、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺BIS、纳米粘土Laponite XLS和氯化钠混合均匀后在8～10℃下冷藏25～35min，然后加入过硫酸铵APS和催化剂为N,N,N',N'-四甲基二乙胺TEMED后搅拌均匀，制得预聚液；其中AM、氯化钠和BIS的质量体积比为(15～20)mg：3mg：3μL，APS、TEMED和BIS的体积比为(1～1.5)：1：6，所述纳米粘土的质量为1～5mg；将预聚液倒入模具中在35～45℃下聚合成型8～10h，制得所述纳米粘土水凝胶；其中，所述溶剂为离子水和甘油的混合溶液。
本发明所提供的电极在使用时，将导电层未与Ag/AgCl电极接触的一端直接粘于皮肤上，再将GND电极和Ref电极分别固定在相应位置即可开始采集信号；使用过程中，本发明电极依靠导电层与皮肤的紧密耦合，无需使用压敏胶便能稳定地采集信号，且长时间保持稳定的低皮肤接触阻抗。
在下文，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
丙烯酰胺(AM)购自上海麦克林生化科技有限公司，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)购自阿拉丁试剂(上海)有限公司，去离子水过硫酸铵(APS)和四甲基乙二胺(TEMED)购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司，氯化钠购自江苏强盛功能化学股份有限公司，丙三醇(甘油)购自国药集团化学试剂有限公司，纳米粘土(Laponite XLS)购自毕克化学(上海)有限公司；对比电极购自上海励图医疗器材有限公司。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1：制备纳米粘土水凝胶
将200mg丙烯酰胺、30mg氯化钠、5mg纳米粘土、370μL去离子水和450μL甘油加入离心管中并充分搅拌溶解；然后加入30μLN,N'-亚甲基双丙烯酰胺进行交联，并将溶液在冰箱(8℃)中冷却30分钟。最后，加入5μLN,N,N',N'-四甲基二乙胺作为催化剂，5μL浓度为4％的去离子水过硫酸铵作为引发剂，制得纳米粘土水凝胶预聚液；然后迅速将预聚液倒入制备好的模具中，并将模具放入密封袋中，40℃条件下等待8小时得到纳米粘土水凝胶。
测试1：测试纳米粘土水凝胶机械性能
测试纳米粘土水凝胶的拉伸性能：采用上海旭赛仪器有限公司XS(08)XG型高模量纤维强力仪测试水凝胶的力学性能，将纳米粘土水凝胶(10mm×7mm×1mm)放在拉伸夹具中以10mm/min的速度进行拉伸性能测试，结果如图3所示，最大拉伸强度约93kPa，断裂伸长率超过1300％。
测试纳米粘土水凝胶的剪切性能：使用拉力试验机通过搭接剪切的方法，将纳米粘土水凝胶(16mm×12mm×1mm)在玻璃基底以10mm/min的速度加载，直至搭接剪切试样分离，获得的粘附剪切力-位移曲线，最大剪切力17kPa。
测试纳米粘土水凝胶的黏性：结果如图5所示。
测试2：测试电极对的阻抗
(1)使用实施例1中的纳米粘土水凝胶预聚液制作直径16mm、厚度1.5mm的纳米粘土水凝胶。
(2)使用两个测试1中的纳米粘土水凝胶电极胶对胶连接组成电极对，工作电极连接其中一个电极的公抠，参比电极与对电极短接接在另一个电极的公扣，通过两电极体系测量电极对的阻抗。
图7是测试结果，可以看到10Hz处阻抗为116Ω(小于250Ω)，满足低阻抗的特点。
测试3：测试电极-皮肤阻抗：
(1)将对比电极的凝胶去除得到对比电极基底作为模具，加入实施例1中的纳米粘土水凝胶预聚液，成胶后制得纳米粘土水凝胶电极作为工作电极；以对比电极作为参比电极和对电极；将三个电极依次贴在手臂上，测试10Hz处的阻抗值。连续测量6个小时，每隔一小时测量一次，测量期间电极不取下。
(2)以对比电极作为工作电极、参比电极和对电极，采用同样的方式进行测试。
这种方法完美还原对比电极凝胶的使用场景，用来对比十分合适。图8是得到的结果，可以看出使用纳米粘土水凝胶的电极阻抗值相比对比电极低，且在6小时内保持稳定的阻抗。
应用例1
步骤一、制备具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极
(1)电极基底制备：用激光切割机切割得到中心挖通孔的无纺布与PET膜，将无纺布一侧的离型纸撕掉，粘贴在PET膜上，将含有Ag/AgCl材料的电极的柱状组件穿过无纺布与PET膜中间的中心孔，与公扣嵌合到一起。
(2)将结合了含有Ag/AgCl材料的电极的基底放置在如图2所示的模具中，含有Ag/AgCl材料的电极片状组件在上侧，加入实施例1制备得到的纳米粘土水凝胶预聚液，放入密封袋中，等待8～10小时，具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极制作完毕，结构如图1所示。
步骤二、使用上述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极采集脑电及处理过程
根据10-20国际标准导联系统，将具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极粘贴在FP1位置，Ref电极和GND电极放置在耳后。采集过程分为两个部分，睁眼和闭眼。采集设备是Olympic CFM6000，采集到的脑电信号经过预处理后如图9，D1是睁眼时的脑电图，D2是闭眼时的脑电图。信号预处理即使用MATLAB对数据进行处理，包括去除基线、带通滤波(0.5Hz-45Hz)。可以清晰看到眨眼闭眼的信号变化。图10是睁眼和闭眼两个过程中信号的功率谱图，可以看到10Hz处闭眼期间的峰值，代表脑电中的α波(α波频段范围处于8-13Hz)。
电生理信号主要包括脑电、心电、肌电。其中脑电是幅值最低(μV级别)，最容易受噪声干扰的，心电、肌电(mv级别)相对于脑电而言较容易获取。
应用例2
步骤一、制备具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极
(1)电极基底制备：用激光切割机切割得到中心挖通孔的无纺布与PET膜，将无纺布一侧的离型纸撕掉，粘贴在PET膜上，将含有Ag/AgCl材料的电极的柱状组件穿过无纺布与PET膜中间的中心孔，与公扣嵌合到一起。
(2)将结合含有Ag/AgCl材料的电极的基底放置在如图2所示的模具中，含有Ag/AgCl材料的电极片状组件在上侧，加入实施例1制备得到的纳米粘土水凝胶预聚液，放入密封袋中，等待8～10小时，具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极制作完毕，结构如图1所示。
步骤二、使用上述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极采集心电
将具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极粘贴在右手手腕内侧位置，GND电极和Ref电极使用对比电极并分别放置在左手手腕背部和手背部。受试者按照命令进行操作：保持静止(T1阶段)、以0.1Hz弯曲手臂(T2阶段)、保持静止(T3阶段)、以0.2Hz弯曲手臂(T4阶段)。弯曲手臂指的是左手手臂平放在桌面，右手按照受试者方向弯曲90°，再放下，左手始终静止。弯曲再放下为一个周期。得到的心电信号进行包络处理，得到的结果如图11(a)所示，可见使用具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极得到的信号幅值在四个阶段保持稳定，不易受运动的干扰。
步骤三、使用对比电极采集心电
使用对比电极代替具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其余步骤保持和步骤二相同。得到的结果如图11(b)所示，在静止和弯曲手臂的阶段，幅值差异非常大，因此受到运动带来的的干扰非常严重。
对比例1
将实施例1中纳米粘土的含量分别设置为0、0.2％、0.4％、0.5％、0.6％、0.8％和1.0％，其余条件不变，制备不同纳米粘土含量的电极。测试其断裂伸长率和拉伸强度，结果如图4所示。
对比例2
将实施例1中纳米黏土的含量分别设置为0、0.1％、0.2％、0.5％、0.6％和1.0％，其余条件不变，制备不同纳米粘土含量的电极。测试其最大黏附力，结果如图6所示。

Claims (10)

1.一种具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，所述具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极包括含有Ag/AgCl材料的电极、导电层和基底；所述导电层的一端与所述含有Ag/AgCl材料的电极的一端连接，另一端用于与皮肤紧密耦合；所述含有Ag/AgCl材料的电极的另一端与所述基底的一端连接；
其特征在于，所述导电层的材质采用纳米粘土水凝胶，所述纳米粘土水凝胶采用如下步骤制备得到：
将单体、溶剂、交联剂、纳米粘土和氯化钠混合均匀后冷藏，然后加入引发剂和催化剂后搅拌均匀，制得预聚液；将预聚液倒入模具中聚合成型，制得所述纳米粘土水凝胶；其中，所述单体为丙烯酰胺AM，所述溶剂为去离子水和甘油的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，所述交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺BIS，所述纳米粘土为LaponiteXLS，所述引发剂为过硫酸铵APS，所述催化剂为N,N,N',N'-四甲基二乙胺TEMED。
3.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，所述单体、氯化钠和交联剂的质量体积比为(15～20)mg：3mg：3μL。
4.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，所述纳米粘土的质量比的0.1～0.5％。
5.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，引发剂、催化剂和交联剂的体积比为(1～1.5)：1：6。
6.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，冷藏时间为25～35min，冷藏温度为8～10℃。
7.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，聚合成型的时间为8～10h，聚合成型的温度为35～45℃。
8.根据权利要求1所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极，其特征在于，所述基底包括电极公扣、无纺布和PET膜，所述无纺布和PET膜中心开设有通孔；所述含有Ag/AgCl材料的电极包括一体成型的片状组件和柱状组件，表面包覆有Ag/AgCl材料；所述柱状组件的一端与所述片状组件的一侧连接，所述柱状组件的另一端穿过无纺布和PET膜的通孔，与电极公扣嵌合；所述片状组件嵌入在所述导电层内，所述无纺布和PET膜设置在所述导电层的一侧；所述无纺布与所述导电层接触，所述PET膜与所述电极公扣接触。
9.权利要求1-8任一项所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极在作为脑电电极的应用。
10.权利要求1-8任一项所述的具有低皮肤接触阻抗的自粘附电极在作为心电电极的应用。
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