CN208910252U - 一种柔性接触脑电电极 - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
本实用新型属于电生理信号检测技术领域，具体为一种柔性脑电电极。脑电电极由柔性硅胶电极片和电极基座构成。柔性硅胶电极片上层为柔性硅胶层，下层为复合导电层，裁剪后的电极片包含圆形电极和连接柄；电极基座包括：电极片外固定卡扣的固定螺母、电极导线、脑电帽固定基座、电极片外固定卡扣、电极导线固定扣；其中,电极片外卡扣将硅胶柔性电极片固定在电极基座上，由外固定卡扣固定螺母将其固定。电极导线与柔性硅胶电极片由电极片外卡扣内壁的凸起处紧密压合，并由固定卡扣固定螺母固定于脑电帽固定基座上。本实用新型具有良好的接触，方便、舒适的佩戴，电极‑皮肤间阻抗低，导电性能优良，能采集到高质量脑电信号。
Description
技术领域
本实用新型属于电生理信号检测技术领域，具体涉及一种脑电电极。
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。然而脑电信号幅度一般小于100μV[3]，因此脑电信号的捕获对脑电电极本身以及后级调理电路提出了很高的要求。其中，后级调理电路技术已经趋于成熟。相比而言，由于电极复杂的电学特性、以及生物电信号采集的特殊要求，脑电电极的研究方兴未艾。
现有技术中，脑电电极可以分为湿式电极和干式电极两大类。湿式电极指的是需要配合导电膏使用的电极。通过前期的皮肤准备以及在采集位置涂抹导电膏操作，使得在电极与人体皮肤表面形成一个金属-电解液界面，从而降低皮肤的超高电阻抗获得高信噪比的信号。现有的湿式电极以金杯电极（Gold Cup Electrode）[4]和Ag/AgCl电极[5]为代表。金杯电极是在纯银电极的基础上电镀金金属制备而成，克服了纯银电极长时间使用的氧化问题。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。对于Ag/AgCl电极，由于其制备方便、价格便宜，并且具有电信号基线稳定、抗干扰能力强等电子学特点，因而被业界广泛使用。但是由于电极中的导电凝胶存在脱水干燥的现象，因而在长时间使用的时候其电特性会发生变化，在高精度的实验中将引入较大的噪声和误差。
为了解决湿式电极存在的问题，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[6]是目前脑电采集技术中最普遍采用的干电极。微针电极是一种使用微针技术设计研发的电极，其通过微细制造方法在硅材料、金属、聚合物和玻璃等材料表面制造形成的阵列式微针结构，直接刺穿角质层来减小其超高电阻抗对信号采集的影响。其使用较为方便可靠，具有较小的阻抗，较小的电化学特性，更利于长期测量使用。但是缺点在于使用时要避免伤到真皮层、避免对神经和血管的伤害。与此同时，其他的织物电极虽然在穿戴式心电、肌电信号采集系统中有着良好的应用，但是在应用于脑电采集时，由于头发带来的接触不良以及皮肤的阻抗效应使接触阻抗进一步增大，使得EEG信号的采集变得更加困难。
为了克服传统湿式电极操作复杂、难以长时间可穿戴式采集信号，以及克服干式电极信号质量差等缺点，本实用新型提出了一种基于硅胶基底的柔性干电极。该电极与头皮结合舒适紧密，同时由于高导电材料的使用，使得在不使用导电膏、导电凝胶的前提下获得高质量的原始信号成为可能。经过电极电学性能的测试论证，表明该电极具有佩戴舒适、操作简便、灵敏精度高等优点，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.
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[6]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.。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种导电性能优良，抗干扰能力强，使用方便，佩戴舒适，生产成本低的新型柔性接触脑电电极及其制备方法。
本实用新型提供的柔性接触脑电电极，由柔性硅胶电极片D和电极基座两部分构成；其结构参见图2、图4所示。其中，所述柔性硅胶电极片为双层结构，上层为柔性硅胶层，下层为复合导电层，从功能上，柔性硅胶电极片D由一圆形电极和与圆形电极连接的连接柄构成；所述电极基座包括：电极导线A，固定螺母B，电极导线固定扣C，脑电帽固定基座E，电极片外固定卡扣F；其中：
所述脑电帽固定基座E，用于安置柔性硅胶电极片D以及电极导线A；脑电帽固定基座E外形基本为柱形，其上设有用于放置柔性硅胶电极片D连接柄与电极导线A前端的安置凹槽；位于安置凹槽上部，设有固定电极导线A用的导线固定凹槽 ；脑电帽固定基座E下缘为外凸的球形曲面；柔性硅胶电极片D的圆形电极部分无导电材料一面紧贴于脑电帽固定基座E下部球形曲面；柔性硅胶电极片D的连接柄另一端的涂有导电层的一面与电极导线A的一端接触，固定于电帽固定基座E上的安置凹槽内；
所述固定螺母B用于固定电极片外固定卡扣F；
所述电极导线A，用于传递柔性硅胶电极片D上所采集到的电信号，并连接外部电路板；电极导线A的一部分导放置在导线固定凹槽内，由电极导线固定扣C固定于脑电帽固定基座E上；
所述电极导线固定扣C用于将电极导线A固定于脑电帽固定基座E上；
所述电极片外固定卡扣F，其内部为空腔，该空腔形状与脑电帽固定基座E外形匹配，空腔上口与固定螺母B的下口匹配，内侧设有隆起G，其下缘为通孔，并且电极片外固定卡扣F设有与固定螺母B内螺纹匹配的外螺纹；脑电帽固定基座E位于电极片外固定卡扣F的空腔内；电极片外固定卡扣F内侧的隆起G将位于脑电帽固定基座E上安置凹槽内的性硅胶电极片D连接柄与电极导线A前端紧密压合、固定；电极片外固定卡扣F将柔性硅胶电极片D固定于脑电帽固定基座E底部，并且，脑电帽固定基座E底部的球形面将柔性硅胶电极片D的圆形电极的一部分推出电极片外固定卡扣F下缘孔外，从而使得电极片表面可以充分接触到头皮。
固定螺母B与电极片外固定卡扣F通过螺纹结合后将电帽固定基座E及柔性硅胶电极片D和电极导线A接头固定在其内部。
本实用新型中，所述脑电帽固定基座E上安置凹槽，其尺寸为：长4mm,宽5mm，深1mm。
本实用新型中，所述电极导线固定扣C内测的隆起G其宽为5mm，该隆起顶点距离电极片外固定卡扣F的内表面高度为0.5mm。
本实用新型中，柔性硅胶电极片圆形部分直径略大于电极片外固定卡扣F下底面内孔径。电极片外固定卡扣F下底面通孔内径尺寸为12-14mm.。
本实用新型中，柔性硅胶电极片D的圆形电极部分的顶点凸出于电极片外固定卡扣F下缘孔外1.5mm-2mm，以确保电极片表面充分接触到头皮。
使用时，所述电极紧贴头皮，电极柔软，信号良好，保证了长期反复佩戴的属性。
本实用新型提供的柔性接触脑电电极的制备方法，具体步骤为：
（一）柔性硅胶电极片制备：
（1）将金属纳米线分散液滴涂在光滑衬底表面，在60-100℃下加热，干燥，形成三维导电网络薄膜；这里，金属纳米线可以为银纳米线、铜纳米线、金纳米线等，金属纳米线分散液的浓度可以为1-10 wt%；所述衬底可以为玻璃、硅片、陶瓷等；
（2）将硅胶溶液浇筑到步骤（1）制备得到的三维导电网络薄膜表面，静置0.5-5h，待溶液完全渗透到三维导电网络空隙中，在60-100℃下加热2-12h，待硅胶完全固化后从衬底表面小心剥离，得柔性硅胶电极材料；这里，所述硅胶溶液可以选自聚二甲基硅氧烷（PDMS）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）或聚氨酯（PU）等；
（3）将制备得到的柔性硅胶电极材料切割成电极形状：包括圆形部分和连接柄；如图3所示；
一般地，电极片圆形部分直径a为12mm-14mm。连接柄长度b为4mm，宽度c为5mm。其中，导电层厚度e为1-10 μm，硅胶层厚度d为100-500 μm。
（二）干燥柔性脑电电极的组装：
（1）将电极导线（B）从脑电帽固定基座E与固定螺母B之间的缝隙穿入；
（2）将电极导线A前段（长约4mm）部分安置在脑电帽固定基座E上的安置槽内；电极导线采用FPC；
（3）将电极导线固定扣C插入脑电帽固定基座E上的位于导线固定凹槽内内，将放置在凹槽内的电极导线A固定在脑电帽固定基座E上,并且将电极导线A前端（4mm长度）部分放入安置凹槽内；
（4）将裁剪好的柔性硅胶电极片D的连接柄插入电极导线A与安置槽内壁之间的空隙中；
（5）将电极片外固定卡扣F内壁上的隆起处（G）对齐于安置凹槽，将电极片外固定卡扣F套在脑电帽固定基座E外面，并确保柔性硅胶电极片D因脑电帽固定基座下部球形曲面挤压而高于电极片外固定卡扣F下地面1.5mm-2mm；
（6）旋转固定螺母B，将电极片外固定卡扣F固定。
本实用新型的柔性脑电电极具有良好的接触，方便的佩戴方式，舒适的佩戴体验，良好的体表皮肤贴合度，并且电极-皮肤间阻抗低，导电性能优良，能够采集到高质量的脑电信号。另外，柔性硅胶电极片生成成本极低，可大大降低使用成本。本实用新型操作简便，制作周期短，易于大规模生产。
本实用新型的特点
所述柔性接触脑电电极具有良好的接触柔性。
所述硅胶柔性电极具有很好的柔韧性，可以在任意角度范围内任意弯折而不影响其导电性。
所述电极基座为可拆卸结构设计，该设计保证了硅胶柔性电极片替换操作的简易性。
所述硅胶柔性电极片与导线通过固定在电极片外卡扣上的导电扣压合，无需任何焊接，黏胶并具备良好的导电性。
所述电极基座与硅胶柔性电极片接触面上设置了硅胶基座，进一步保证了使用者头皮与硅胶柔性电极片的柔性接触。
所述柔性接触脑电电极所采型号具有良好导电性能，能够采集到高质量的脑电信号。
附图说明
图1.柔性脑电电极内部结构示意图。
图2.柔性硅胶电极片尺寸。
图3.柔性电极安装步骤示意图。
图4.柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、金杯电极在Fp1区域的皮肤-电极间阻抗对比。
图5.柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、金杯电极在F3区域的皮肤-电极间阻抗对比。
图6.柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、金杯电极在Fp1区域采集到的脑电信号对比。
图7.柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、柔性硅胶、金杯电极在Fp1区域采集到的脑电信号频域对比。
图8.柔性脑电电极与金杯电极在F3区域采集到的脑电信号对比。
图9.柔性脑电电极与金杯电极在F3区域采集到的脑电信号频域对比。
图中标号：A为电极导线,B为电极片外固定卡扣固定螺母,C为电极导线固定扣,D为柔性硅胶电极片,E为脑电帽固定基座,F为电极片外固定卡扣，G为内侧隆起。
具体实施方式
按前述步骤制备新型柔性脑电电极：
（一）柔性硅胶电极片的制备：
（1）将2 ml浓度为5 wt%的银纳米线（Ag NWs）分散液滴涂在5cm×5cm玻璃衬底表面，60℃加热干燥10min得到三维银纳米线导电网络薄膜；
（2）将1mlPDMS溶液浇筑到步骤（1）制备得到的银纳米线导电网络薄膜表面，静置1h，然后60℃加热固化5h，待PDMS完全固化后小心从玻璃衬底表面剥离得到柔性硅胶电极，其具体结构见附图1，纯PDMS硅胶层作为柔性衬底，厚度为100μm，Ag NWs/PDMS复合层作为导电层，厚度为10μm。需要说明的是，Ag NWs三维导电网络是嵌在PDMS表面内的，而不是只是简单的覆盖在其表面，因此在满足导电性的情况下，同时具有很好的附着力，在弯曲、扭曲、甚至拉伸的情况下不会发生脱落，完全满足脑电电极的应用需求。
将新型柔性硅胶脑电电极的按图3进行安装并测试。首先将FPC电极导线A从脑电帽固定基座E与电极片外固定卡扣固定螺母B之间的缝隙穿入；然后将FPC电极导线A前段长约4mm部分安置在脑电帽固定基座E上的安置槽内；紧接着将电极导线固定卡扣F插入在脑电帽固定基座上位于安置槽上方的卡槽内；随后再将按照图2裁剪好的柔性硅胶电极片D的连接柄插入FPC电极导线A与安置槽内壁之间的空隙中；此外，将电极片外固定卡扣F内壁上的隆起处对齐于安置槽后，将电极片外固定卡扣F套在脑电帽固定基座外面，并确保柔性硅胶电极因脑电帽固定基座下部球形面挤压而高于电极片外固定卡扣F下缘约为1.5mm；最后将旋转电极片外固定卡扣固定螺母B将电极片外固定卡扣F固定。
目前，在临床上广泛使用的脑电电极是金杯电极或者Ag/AgCl电极，往往在电极与皮肤接触部分附有导电凝胶提升贴合程度和导电性能、降低皮肤-电极间阻抗。然而，随着使用时间的增加，导电凝胶趋于硬化、有关性能显著下降。
本实用新型提出的柔性脑电电极不需要导电凝胶，材料自身的力学性能使其能长期保持与皮肤的良好接触。电化学工作站测试结果显示，所提出的电极的皮肤-电极间阻抗在0.1 Hz-100k Hz范围内与金杯电极和Ag/AgCl电极可比,而几乎所有生理信号（如脑电、心电、肌电等）的频率都分布在0.1 Hz 到 1k Hz的 范围内。其不需要导电凝胶的特点使其在可穿戴设备的应用场景中相较于Ag/AgCl电极具有明显优势，跟金杯电极相比，采集到的质量不分上下，且适宜长期监护。图4和图5分别给出了本专利所提出的电极与金杯电极、Ag/AgCl电极的皮肤-电极间阻抗在0.1 Hz-100k Hz范围内在Fp1（左额极，无头发附着）和F3（左额，有头发附着）位置的对比。在0.1Hz到200KHz频段内，专利提出的柔性硅胶电极具有最小的皮肤电极界面阻抗，在直流频段附近大约为金杯电极的一半（15K欧姆左右），同时阻抗分布与EEG标准金杯电极相似。较小的皮肤电极界面阻抗使得等效信号源内阻较小，从而减弱由于信号源内阻较大带来的信号畸变问题。三种电极中Ag/AgCl电极具有最大的阻抗，对应在实际应用中很难使用Ag/AgCl电极进行EEG信号的采集。
此外，对于电极而言，除了电学性能表现要优良之外，能够采集到有效的信号才是最终的目的。因此使用医疗级商用多导睡眠监护仪PSG(Compumedics Grael)设备进行信号采集验证。实验条件如下：为了保证严格的变量控制，受试者要求在实验前进行清洗保证试验不受汗水、油渍等的干扰，并且试验在一个小时内结束，假定在这段时间受试者身体状态保持不变（皮肤接触以及阻抗状态不会随时间推移发生大的变化导致试验失败），采样频率为256Hz。在Fp1区域利用三种电极进行对比测试。在F3区域，由于头发的干扰，Ag/AgCl电极采集到的信号质量较差，故在F3区域只进行了新型柔性脑电电极与金杯电极的对比测试。本实验对采集得到的原始信号进行时域以及频域分析，根据其特征论证电极设计的可行性。图6和图7分别给出了新型柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、金杯电极在Fp1区域采集到的脑电信号以及频域分析对比图。图8和图9新型柔性脑电电极与金杯电极在F3区域采集到的脑电信号以及频域分析对比图。从时域来看，二者具有相同的波形，表明二者信号采集的有效性。从频域来看，二者采集信号的频谱结构完全一致，再一次论证了电极设计的合理性。
Claims (6)
1.一种柔性接触脑电电极，其特征在于，由柔性硅胶电极片（D）和电极基座两部分构成；所述柔性硅胶电极片为双层结构，上层为柔性硅胶层，下层为复合导电层，从功能上，柔性硅胶电极片(D)由一圆形电极和与圆形电极连接的连接柄构成；所述电极基座包括：电极导线（A），固定螺母(B)，电极导线固定扣（C），脑电帽固定基座（E），电极片外固定卡扣（F）；其中：
所述脑电帽固定基座(E)，用于安置柔性硅胶电极片（D）以及电极导线（A）；脑电帽固定基座(E)外形基本为柱形，其上设有用于放置柔性硅胶电极片(D)连接柄与电极导线(A)前端的安置凹槽；位于安置凹槽上部，设有固定电极导线（A）用的导线固定凹槽 ；脑电帽固定基座（E）下缘为外凸的球形曲面；柔性硅胶电极片（D）的圆形电极部分无导电材料一面紧贴于脑电帽固定基座（E）下部球形曲面；柔性硅胶电极片（D）的连接柄另一端的涂有导电层的一面与电极导线（A）的一端接触，固定于电帽固定基座（E）上的安置凹槽内；
所述电极导线（A），用于传递柔性硅胶电极片（D）上所采集到的电信号，并连接外部电路板；电极导线（A）的一部分导放置在导线固定凹槽内，由电极导线固定扣（C）固定于脑电帽固定基座（E）上；
所述电极导线固定扣（C）用于将电极导线（A）固定于脑电帽固定基座(E)上；
所述电极片外固定卡扣（F），其内部为空腔，该空腔形状与脑电帽固定基座(E)外形匹配，空腔上口与固定螺母(B)的下口匹配，内侧设有隆起(G)，其下缘为通孔，并且电极片外固定卡扣（F）设有与固定螺母(B)内螺纹匹配的外螺纹；脑电帽固定基座(E)位于电极片外固定卡扣（F）的空腔内；电极片外固定卡扣（F）内侧的隆起(G)将位于脑电帽固定基座(E)上安置凹槽内的性硅胶电极片(D)连接柄与电极导线(A)前端紧密压合、固定；电极片外固定卡扣（F）将柔性硅胶电极片（D）固定于脑电帽固定基座（E）底部，并且，脑电帽固定基座（E）底部的球形面将柔性硅胶电极片（D）的圆形电极的一部分推出电极片外固定卡扣（F）下缘通孔外，从而使得电极片表面可以充分接触到头皮；
固定螺母(B)与电极片外固定卡扣（F）通过螺纹结合后将电帽固定基座(E)及柔性硅胶电极片（D）和电极导线（A）前端接头固定在其内部。
2.根据权利要求1所述的柔性接触脑电电极，其特征在于，所述脑电帽固定基座(E)上安置凹槽，其尺寸为：长4mm,宽5mm，深1mm。
3.根据权利要求1所述的柔性接触脑电电极，其特征在于，所述电极导线固定扣（C）内测的隆起（G），其宽为5mm，该隆起顶点距离电极片外固定卡扣（F）的内表面高度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的柔性接触脑电电极，其特征在于，所述柔性硅胶电极片圆形部分直径大于电极片外固定卡扣(F)下底面内孔径；电极片外固定卡扣(F)下底面通孔内径尺寸为12-14mm.。
5.根据权利要求1所述的柔性接触脑电电极，其特征在于，所述柔性硅胶电极片（D）的圆形电极部分的顶点凸出于电极片外固定卡扣(F)下缘孔外1.5mm-2mm，以确保电极片表面充分接触到头皮。
6.根据权利要求1-5之一所述的柔性接触脑电电极，其特征在于，电极片圆形部分直径a为12mm-14mm；连接柄长度b为4mm，宽度c为5mm；其中，导电层厚度e为1-10 μm，硅胶层厚度d为100-500 μm。
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Cited By (2)
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| CN108309291A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-07-24 | 复旦大学 | 一种柔性接触脑电电极及其制备方法 |
| CN112656426A (zh) * | 2019-09-30 | 2021-04-16 | 脑云(常州)医疗科技有限公司 | 一种多重保障触点紧密接触头皮的脑电帽 |
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