CN117179773A - 用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法，属于生物电生理检测技术领域；所述单极复合微电极系统通过将探测电极内芯和电极尾端连接形成电极本体，然后将电极本体与电极偶联器、信号放大器和数模转换器依次连接，并在电极本体外设置外屏蔽层制备而成；探测电极内芯由钨丝内芯和镀金层复合而成，外部设有可以降低噪音干扰的玻璃管；电极尾端为铜线和内绝缘层组成；利用该制备方法制备得到的单极复合微电极系统探测的信号灵敏度满足最高分辨率50um2，最小可识别信号电压振幅50uV，且具有一定的抗电磁干扰能力，可用于常规屏蔽网环境，而且该电极结构可操作性强，可实现重复标测使用。
Description
技术领域
本发明涉及生物电生理检测技术领域，尤其涉及用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法。
背景技术
生物电信号是维持生物活动及细胞间信息交换的重要组成部分之一。心脏组织的生物电活动还参与维持了心脏电传导与机械偶联的重要功能，其异常变化会导致心脏节律紊乱或发展为心律失常。对心脏组织间电活动变化的识别是认识心脏维持生理状态和病理机制的重要手段之一。对心脏电信号的研究已经有百年的历史了，从最早的心电图对心脏整体的电活动进行记录，到膜片技术对细胞动作电位的记录，再到近年来对全心脏的高密度三维电标测技术的应用。生物电信号探测的精度及通量都有了较大的提高。通过对生物电活动分析和理解的加深，进一步促进了相关药物的研发及临床心律失常手术治疗成功率的提高。
目前应用的生物电标测技术根据研究目标不同主要分为细胞内标测和细胞外标测。细胞内标测主要应用膜片钳技术实现，可记录细胞动作电位的变化，单个离子通道的电活动表现等。其精度较高，但通量低，往往只能记录一个细胞内的活动表现，很难分析电信号在组织层面的作用。其主要应用在细胞内信号转导分析，药物对细胞离子通道毒性等方面。细胞外标测主要针对组织层面或全器官进行标测研究，根据电极截面的大小可记录不同范围细胞外场电位的变化，可实现高通量记录。但目前精度较低，一般为群细胞(三维信号一般混杂百个以上的细胞)的混合电位信号，其主要应用于临床电生理手术的术中标测，可以集成上万个点的信息，研究组织或器官整体的电活动表现。应用该技术已经实现了对临床室早，室上速，典型房速等接近90％的手术干预成功率。但是在认识复杂心律失常，如瘢痕房速、房颤、室速等机制进展困难，主要因为细胞外电标测空间分辨率一般大于1mm，使得时间上同步激动的细胞电活动会造成记录的电信号叠加，不能在局部空间上分辨激动早晚及激动方向，使传导机制分析受限。
细胞外标测根据获取信号的内容分为单极信号标测和双极信号标测。单极标测多应用2-4mm高电导率金属制成探测头端，连接单股导电线外包绝缘抗干扰塑胶连接尾端到信号放大器，一般可实现可记录细胞周期内全时程的电活动，在二维标测过程中可通过识别记录波形的正负间接判断信号来源的深度。但单极信号往往会融合更多的电极周围信号，对局部信号的分析精确度较低。双极标测需应用双通道的探测头端，记录的电信号和2个探测头端的间距相关，只记录电极之间的电信号，可以屏蔽两个探测头端以外的信号，在局部信号分析有优势，但是信号内容会因为信号算法原因丢失一部分信息。
因此，进一步的提高细胞外标测电极的精度对认识电信号在生理状态下的整体表现及临床复杂心律失常的诊治有重要意义。通过进一步降低单极电极的探测头端，可以在不影响信号完整性的前提下降低周围场电位对目标电位的影响，但需要同时提高信号的抗干扰性，因为探测电极减小获得的靶信号源会更精确，其振幅会明显减小，可能受周围电磁场影响相对更大。同时，微电极和标测组织间的作用需要可实现性，更微小的探测器头端更容易因为操作容错率低而导致损毁。一般，微电极记录的实现，可通过利用高电导率金属丝和内灌电解液的玻璃电极实现。金属电极为主体的微电极目前多用于组织场电位的标测，标测精度范围多大于200um。金属电极具有更好的韧性和硬度，其可操作性强，适合高通量的大范围的重复标测，但灵敏度相对较低，对单细胞或小细胞群信号识别困难。同时金属电极暴漏在接触环境的体积较大，更易受到外环境的电磁干扰，标测背景噪音较大。玻璃电极可以通过热拉制，实现最小um级别的探测头端，但玻璃电极的脆性更高，可操作性低。一般只用于单次标测，不能反复应用，同时一般需通过专用的膜片钳放大器连接，普适性差。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法，该单极复合微电极系统探测的信号灵敏度满足最高分辨率50um2，最小可识别信号电压振幅50uV，且具有一定的抗电磁干扰能力，可用于常规屏蔽网环境，而且该电极结构可操作性强，可实现重复标测使用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：制备用于心脏活动标测的探测电极内芯；
S2：制备电极尾端；
S3：将步骤S1中的探测电极内芯与步骤S2中的电极尾端连接起来，形成电极本体；
S4：将电极本体的后端与电极偶联器、信号放大器和数模转换器依次连接；
S5：在电极本体外设置外屏蔽层，形成单极复合微电极系统。
进一步的，步骤S1中所述的探测电极内芯包括钨丝内芯，所述钨丝内芯的前端外部设有镀金层，所述钨丝内芯和镀金层形成复合金属控制电极，所述复合金属控制电极外设有玻璃管，所述玻璃管的后端与所述钨丝内芯之间通过封闭块固定连接，且所述钨丝内芯的后端贯穿所述封闭块，所述复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管。
进一步的，复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管的长度<30um。
进一步的，步骤S2中所述的电极尾端包括铜线，所述铜线外包覆有内绝缘层，且所述铜线的前端和后端均贯穿所述内绝缘层。
进一步的，步骤S3的具体操作包括：将探测电极内芯中的钨丝内芯后端与电极尾端中的铜线前端通过锡过渡段焊接固定连接。
进一步的，步骤S4的具体操作包括：将电极尾端中的铜线后端与电极偶联器、信号放大器和数模转换器依次连接。
进一步的，步骤S5中所述的外屏蔽层从内向外依次包括紫铜网层、铝箔层和外绝缘层，所述探测电极内芯的前端和所述电极尾端的后端均贯穿所述外屏蔽层。
进一步的，利用上述所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法制备得到的单极复合微电极系统。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
1、本发明公开了一种用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，探测电极内芯使用钨丝内芯和镀金层形成复合金属控制电极，在复合金属控制电极外设置硅酸盐拉制的玻璃管，可以起到降低噪声的作用，复合金属控制电极的前端贯穿玻璃管的长度<30um，且钨丝内芯直径为10um，镀金层厚度为0.3um，在减小和标测组织接触截面的前提下，利用高电导率材料，不增加信号损失，可识别信号电压最小振幅50uV，可实现单个心肌细级别的胞外电位标测。
2、本发明中的单极复合微电极系统和已有的金属单极微标测电极相比，探测的信号灵敏度更高，最高分辨率可达到50um2，约仅为10个常规细胞范围级别的电压信号。实现了可以更好的减少周围组织场电位对目标电位的影响。
3、本发明中通过锡过渡段将探测电极内芯中的钨丝内芯后端与电极尾端中的铜线前端焊接固定连接，可以实现直径为10um的钨丝与直径为0.5mm的铜线之间的稳定连接；在电极本体外设置外屏蔽层既可以对电极本体起到承载作用，还可以实现可连续标测的操控性以及良好的抗电磁干扰能力，记录信号背景噪声可小于50uV；且该电极本体体积小，具有较高的电极操作性，可以反复应用及实现高通量标测。
4、利用本发明中的制备方法制备得到的单极复合微电极系统可用于探测高分辨率的心脏组织电信号信息，实现稳定的单极记录和程序刺激下记录。通过电极的高分辨特征，可用于进一步深入探索生理性心肌传导的特征，特别是房室交界区具有多重组织交汇的解剖特征区域，更需要高分辨信号。在复杂心律失常中，可用于瘢痕相关的房扑，室速中多种状态下心肌细胞传导差异的分辨，对揭示心律失常的机制及电生理手术治疗方案改良有重要价值。
附图说明
图1为本发明中用于心脏活动标测的单极复合微电极系统结构示意图。
图2为本发明中电极本体和外屏蔽层结构示意图。
图3为本发明图2中A部分结构局部放大图。
图4为本发明中电极本体结构示意图。
图5为本发明中探测电极内芯结构示意图。
图6为本发明图5中B部分结构局部放大图。
图7本发明中用于心脏活动标测的单极复合微电极系统应用模式图。
图8为本发明实施例三中单极复合微电极与病理切片大小对比图。
图9为本发明实施例三中应用单极复合微电极系统标测房室交界区得到的心脏电信号。
图10为本发明实施例四中电生理程控下，应用单极复合微电极系统记录得到的心腔内电信号。
其中：1-钨丝内芯，2-镀金层，3-玻璃管，4-封闭块，5-铜线，6-内绝缘层，7-锡过渡段，8-紫铜网层，9-铝箔层，10-外绝缘层，11-电极偶联器，12-信号放大器，13-数模转换器。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例一：
如附图1-6所示，用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，包括以下步骤，
S1：制备用于心脏活动标测的探测电极内芯；
具体的，所述的探测电极内芯包括钨丝内芯1，所述钨丝内芯1的前端外部设有镀金层2，所述钨丝内芯1和镀金层2形成复合金属控制电极，所述复合金属控制电极外设有玻璃管3，所述玻璃管3的前端为开口结构，所述玻璃管3的后端与所述钨丝内芯1之间通过封闭块4固定连接，且所述钨丝内芯1的后端贯穿所述封闭块4，所述复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管3。
优选的，钨丝内芯1的直径为10um，所述镀金层2的厚度为0.3um，所述玻璃管3采用硅酸盐拉制玻璃管，可以起到降低噪声的作用，其前端外径为15um，内径大于镀金层2的外径，玻璃管3的后端外径大于前端外径，且所述玻璃管3的后端设有氰基丙烯酸乙酯材质制成的圆柱形的封闭块4，镀金层2的后端贯穿所述封闭块4，且与所述封闭块4固定连接。
所述钨丝内芯1和镀金层2形成的复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管3的长度<30um，也即所述复合金属控制电极的标测头端暴露外高度<30um。
S2：制备电极尾端；
具体的，所述的电极尾端包括铜线5，所述铜线5外包覆有内绝缘层6，且所述铜线5的前端和后端均贯穿所述内绝缘层6，所述铜线5采用低阻可塑型铜线，直径为0.5mm。
S3：将步骤S1中的探测电极内芯与步骤S2中的电极尾端连接起来，形成电极本体；
具体的，将探测电极内芯中的钨丝内芯1后端与电极尾端中的铜线5前端通过锡过渡段7焊接固定连接，可以实现直径为10um的钨丝与直径为0.5mm的铜线之间的稳定连接。
S4：将电极本体的后端与电极偶联器11、信号放大器12和数模转换器13依次连接；
具体的，将电极尾端中的铜线5后端与电极偶联器11、信号放大器12和数模转换器13依次连接。
S5：在电极本体外设置外屏蔽层，形成单极复合微电极系统；
具体的，所述的外屏蔽层从内向外依次包括紫铜网层8、铝箔层9和外绝缘层10，所述探测电极内芯的前端和所述电极尾端的后端均贯穿所述外屏蔽层。
实施例二：
实施例二公开了一种利用实施例一中的制备方法制备得到的单极复合微电极系统。
具体的，该单极复合微电极系统的结构如附图1-6所示，具体包括电极本体和设置在电极本体外的外屏蔽层，且所述电极本体的后端与电极偶联器11、信号放大器12和数模转换器13依次连接。
更具体的，所述电极本体包括探测电极内芯和电极尾端，所述探测电极内芯包括钨丝内芯1，所述钨丝内芯1的前端外部设有镀金层2，所述钨丝内芯1和镀金层2形成复合金属控制电极，所述复合金属控制电极外设有玻璃管3，所述玻璃管3的后端与所述钨丝内芯1之间通过封闭块4固定连接，且所述钨丝内芯1的后端贯穿所述封闭块4，所述复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管3。
优选的，钨丝内芯1的直径为10um，所述镀金层2的厚度为0.3um，所述玻璃管3采用硅酸盐拉制玻璃管，可以起到降低噪声的作用，其前端外径为15um，内径大于镀金层2的外径，玻璃管3的后端外径大于前端外径，且所述玻璃管3的后端设有氰基丙烯酸乙酯材质制成的圆柱形的封闭块4，镀金层2的后端贯穿所述封闭块4，且与所述封闭块4固定连接。
所述钨丝内芯1和镀金层2形成的复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管3的长度<30um，也即所述复合金属控制电极的标测头端暴露外高度<30um。
所述电极尾端包括铜线5，所述铜线5外包覆有内绝缘层6，且所述铜线5的前端和后端均贯穿所述内绝缘层6，所述铜线5采用低阻可塑型铜线，直径为0.5mm。
所述探测电极内芯中的钨丝内芯1后端与电极尾端中的铜线5前端通过锡过渡段7焊接固定连接，可以实现直径为10um的钨丝与直径为0.5mm的铜线之间的稳定连接。所述探测电极内芯、电极尾端和锡过渡段7固定连接以后形成电极本体结构。
所述外屏蔽层从内向外依次包括紫铜网层8、铝箔层9和外绝缘层10，所述探测电极内芯的前端和所述电极尾端的后端均贯穿所述外屏蔽层。
实施例三：
实施例三将实施例二中的单极复合微电极系统应用到记录房室交界区电活动中。该单极复合微电极系统具体应用模式图如附图7所示。
具体应用实施的过程如下：
1.材料
1.1动物
成年新西兰大白兔
1.2试剂
腹腔注射用抗凝剂，肝素(3125U/kg)
实验动物麻醉用10％水合氯醛
持续灌注用饱和气体(95％O2+5％CO2)
改良台式灌流液(119mM NaCl、25mM NaHCO3、1.2mM NaH2PO4、1.0mM MgSO4·6H2O、4.0mM KCl、1.8mM CaCl2、10mM D-GlucoseH2O)
1.3设备
PC-100玻璃电极拉制仪；A-M 1800放大器2台；Digidata 1440B数模转换器；
2.方法
2.1改良Langendorff离体心脏灌流
兔腹腔注射肝素抗凝(3125U/kg)，15分钟后实验动物以10％水合氯醛麻醉，开胸后取出心脏，置于饱和气体(95％O2+5％CO2)的改良台式缓冲液(119mM NaCl、25mM NaHCO3、1.2mM NaH2PO4、1.0mM MgSO4·6H2O、4.0mM KCl、1.8mM CaCl2、10mM D-GlucoseH2O)中，快速去除结缔组织和肺组织，留3-5mm主动脉，将主动脉插管并连接到Langendorff灌流系统上，以8-10mL/min泵注速度主动脉逆行灌流台氏液。灌流液全程35±1℃恒温、持续供氧(95％O2+5％CO2)。
2.2单极复合微电极系统制作
单极复合微电极系统的制作过程采用实施例一中的制备方法制备。
2.3房室交界区组织内电生理标测
离体心脏固定到Langendorff灌流装置后，剪开右房暴露房室交界区，放置参考电极(HIS电极，高右房电极，Tudaro腱外侧电极)，刺激电极(心房刺激电极，心室刺激电极)。连接双通道Axopatch 200B膜片钳放大器或AM1800多通道放大器，应用Digidata 1440B数模转换器进行模拟信号输出。应用微操控制标测超微电极，对把目标进行连续标测。最多可对感兴趣区域放置3个超微电极。应用Clampex 10采样软件实时监测所有通道场电位。
3.结果
(1)附图8显示房室交界区病理切片与标测电极大小对比，可见单极电极头端间距约为3-5个细胞大小。
(2)附图9显示应用超微电极标测房室交界区。
应用Clampex软件下记录。显示窦性心律下，电极可清楚记录到心房电位，His电位和心室电位。基线噪音小于50uv。
实施例四：
实施例四在电生理程控下应用实施例二中的单极复合微电极系统记录心腔内电信号，具体实施过程如下：
1.材料
1.1动物
成年新西兰大白兔
1.2试剂
腹腔注射用抗凝剂，肝素(3125U/kg)
实验动物麻醉用10％水合氯醛
持续灌注用饱和气体(95％O2+5％CO2)
改良台式灌流液(119mM NaCl、25mM NaHCO3、1.2mM NaH2PO4、1.0mM MgSO4·6H2O、4.0mM KCl、1.8mM CaCl2、10mM D-GlucoseH2O)
1.3设备
PC-100玻璃电极拉制仪；A-M 1800放大器2台；Digidata 1440B数模转换器；
2.方法
2.1改良Langendorff离体心脏灌流
兔腹腔注射肝素抗凝(3125U/kg)，15分钟后实验动物以10％水合氯醛麻醉，开胸后取出心脏，置于饱和气体(95％O2+5％CO2)的改良台式缓冲液(119mM NaCl、25mM NaHCO3、1.2mM NaH2PO4、1.0mM MgSO4·6H2O、4.0mM KCl、1.8mM CaCl2、10mM D-GlucoseH2O)中，快速去除结缔组织和肺组织，留3-5mm主动脉，将主动脉插管并连接到Langendorff灌流系统上，以8-10mL/min泵注速度主动脉逆行灌流台氏液。灌流液全程35±1℃恒温、持续供氧(95％O2+5％CO2)。
2.2电生理程序刺激下标测
离体心脏固定到Langendorff灌流装置后，放置参考电极与标测电极，刺激电极(心房刺激电极，心室刺激电极)。连接双通道Axopatch 200B膜片钳放大器或AM1800多通道放大器，应用Digidata 1440B数模转换器进行模拟信号输出。应用微操控制标测超微电极，对把目标进行连续标测。应用Clampex 10采样软件实时监测所有通道场电位。
3结果
附图10显示了在程序刺激下，应用超微电极进行心脏电活动标测。
应用Clampex软件下记录。上图显示在心房刺激下，电极可清楚记录到心房电位，His电位和心室电位。基线噪音小于50uv。下图显示在心室刺激下，电极可清楚记录到逆传的心房电位。基线噪音小于50uv。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：制备用于心脏活动标测的探测电极内芯；
S2：制备电极尾端；
S3：将步骤S1中的探测电极内芯与步骤S2中的电极尾端连接起来，形成电极本体；
S4：将电极本体的后端与电极偶联器、信号放大器和数模转换器依次连接；
S5：在电极本体外设置外屏蔽层，形成单极复合微电极系统。
2.根据权利要求1所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的探测电极内芯包括钨丝内芯，所述钨丝内芯的前端外部设有镀金层，所述钨丝内芯和镀金层形成复合金属控制电极，所述复合金属控制电极外设有玻璃管，所述玻璃管的后端与所述钨丝内芯之间通过封闭块固定连接，且所述钨丝内芯的后端贯穿所述封闭块，所述复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管。
3.根据权利要求2所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，复合金属控制电极的前端贯穿所述玻璃管的长度<30um。
4.根据权利要求2所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的电极尾端包括铜线，所述铜线外包覆有内绝缘层，且所述铜线的前端和后端均贯穿所述内绝缘层。
5.根据权利要求4所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，步骤S3的具体操作包括：将探测电极内芯中的钨丝内芯后端与电极尾端中的铜线前端通过锡过渡段焊接固定连接。
6.根据权利要求5所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体操作包括：将电极尾端中的铜线后端与电极偶联器、信号放大器和数模转换器依次连接。
7.根据权利要求6所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述的外屏蔽层从内向外依次包括紫铜网层、铝箔层和外绝缘层，所述探测电极内芯的前端和所述电极尾端的后端均贯穿所述外屏蔽层。
8.利用权利要求1-7中任一项所述的用于心脏活动标测的单极复合微电极系统的制备方法制备得到的单极复合微电极系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310316677.5A CN117179773A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202310316677.5A CN117179773A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117179773A true CN117179773A (zh) | 2023-12-08 |
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ID=89002301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310316677.5A Pending CN117179773A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 用于心脏活动标测的单极复合微电极系统及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117179773A (zh) |
-
2023
- 2023-03-29 CN CN202310316677.5A patent/CN117179773A/zh active Pending
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