CN108652620B - 用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械和穿戴式电子产品，为用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，包括柔性电极本体层、泡棉层和储液层；所述柔性电极本体层中的柔性探针为阵列式传感器结构；泡棉层中的导电泡棉上设置若干用于穿入柔性探针的通孔，若干通孔与柔性探针排布一致；储液层内储存电解液，并设有用于将电解液释放到泡棉层中的导电泡棉上的释放组件。本发明提供的柔性电极具有使用方便、舒适、结构合理、阻抗低、长期稳定可靠、柔性、穿戴舒适安全的优点。

Description

用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极

技术领域

本发明涉及应用于医疗器械和穿戴式电子产品的电极，具体涉及一种覆盖在头发区域用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极。

背景技术

脑电信号(EEG)是一种记录大脑活动的电生理指标，是大量神经元同步发生的突触后电位经总和形成的，能反映人体的健康状况、认知活动等信息，是脑科学研究、人体生理研究和脑疾病临床诊断的重要参数，越来越多地应用到医学检测、临床诊断和脑-机接口领域，为痴呆、癫痫、肿瘤等脑部疾病或脑死亡提供诊断信息。传统湿电极因为阻抗低且信号稳定，被广泛应用于临床和科研，但是使用湿电极时操作繁琐，需要涂上导电凝胶进行皮肤预处理，容易弄脏受试者的头发和衣服，而且使用时间不久后导电凝胶就会脱水干燥，导致信号稳定性变差，使用起来十分不便，严重限制了普适环境下的脑电应用。

随着移动医疗和健康监测的发展，近年来干电极技术得到了科研人员的广泛关注，基于不同电极材料和结构的干电极被相应地提出。干电极在使用过程中不需要使用导电凝胶，由于其方便快捷和长期稳定性成为了传统湿电极的理想替代品。但这些干电极在使用过程中存在诸如接触阻抗较高、对运动伪迹敏感、电极太硬导致使用不适等缺点。

目前有些研究基于多孔柱设计半干电极，但是多孔渗透柱通常为刚性材料，存在佩戴不适的缺点。

随着智能穿戴时代的来临，现有头发覆盖区域的电极技术很难满足普适环境下的脑电采集要求。

发明内容

针对现有头发覆盖区域电极测量技术中存在的不足，本发明提供用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，基于多功能层次结构设计的柔性半干式电极具有操作简单方便、接触阻抗低、噪声低、使用舒适等优点。

本发明用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，包括柔性电极本体层、泡棉层和储液层；所述柔性电极本体层中的柔性探针为阵列式传感器结构；泡棉层中的导电泡棉上设置若干用于穿入柔性探针的通孔，若干通孔与柔性探针排布一致；储液层内储存电解液，并设有用于将电解液释放到泡棉层中的导电泡棉上的释放组件。

优选地，所述柔性探针采用基于硅胶的柔性导电材料制作。所述基于硅胶的柔性导电材料添加碳系导电填料或金属系导电填料。

优选地，所述储液层包括嵌入柔性电极本体层之中的储液池；所述释放组件为位于储液池下方、均匀分布于泡棉层上方的若干直排孔。

优选地，所述储液层还包括单向阀和通孔；单向阀设置在储液池上端面或测端面，并与储液层的通孔连接；储液层的通孔与储液池连通。

优选地，所述用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极还包括电路层，储液层还包括连接器件；连接器件作为信号输入端将柔性电极本体层采集到的脑电信号送入电路层进行处理；所述电路层采用高输入高阻抗缓冲放大器，降低头皮与所述用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极之间的等效接触阻抗。

优选地，所述柔性电极本体层，其制备过程包括如下步骤：

(1)设计柔性电极本体的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干锥体；该扁平的片状结构内部采用镂空设计；

(2)在硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电硅胶；

(3)利用3D打印技术，根据步骤(1)设计的三维模型，用步骤(2)制备的导电硅胶打印制备柔性电极本体；

所述碳系导电填料为炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或多种；所述金属系导电填料为银粉、铝镀银及镍粉中的一种或多种。

从以上技术方案可知，本发明基于柔性导电复合材料本体提出多功能层次柔性电极结构设计，包括四层结构：柔性电极本体层，泡棉层，储液层和电路层。柔性电极本体层是基于柔性导电材料设计而成的柔性针式传感器；泡棉层主要由导电泡棉组成，用于释放电解液以降低电极和头皮之间的接触阻抗；储液层采用镂空式设计，存储电解液，从而保证泡棉能长时间湿润；而电路层包含有源放大电路，降低噪声，以获取更加稳定的脑电信号。本发明基于多功能层次结构设计的柔性半干式电极，相比于传统的脑电信号采集电极技术，其优势在于：

1.电极本体穿过泡绵层与受试者的头部皮肤接触，从而使泡棉中的电解液释放到头部皮肤，以降低头皮与电极之间的接触阻抗；且泡棉的保湿时间长久，能较长时间释放电解液到电极本体上。

2.存储在储液池的电解液或导电液通过直排孔的毛细孔径缓慢释放，被泡棉吸收，更长效地湿润头部皮肤，更持久地降低电极与头皮之间的接触阻抗，改善传统干电极接触界面，获取质量较好的脑电信号，使用简单、舒适。

3.电极本体采用柔性材料制作，在与大脑头皮接触的过程中，将极大减轻受试者的不适感；探针式的设计，能穿过头发直接接触头皮。

4.采用前置有源电路，减少检测过程中受到的干扰，提高信号质量。

附图说明

图1为本发明第一实施例的整体结构示意图之一；

图2为本发明第一实施例的整体结构示意图之二；

图3为本发明柔性电极本体示意图；

图4为导电泡棉层示意图；

图5为柔性电极本体中部示意图；

图6为柔性电极本体俯视图；

图7为柔性电极本体与电路层的连接示意图；

图8为电路层有源电路图；

图9为本发明第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。但是本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，包括柔性电极本体层1、泡棉层2、储液层3、电路层4及电联器件5。

如图2所示，在此实施例当中，1.1为柔性电极本体层中的柔性探针，采用基于硅胶的柔性导电材料制作，可添加碳系导电填料如炭黑、碳纳米管、石墨烯等或金属系导电填料如银粉、铝镀银、镍粉等中的一种或多种。如图3所示；因此在和头皮接触时，不会产生刺痛感，而能耐受压力。柔性探针采用阵列式传感器结构，探针形状设计为锥体，探针的长度为8-10mm，以更好穿过头发和大脑皮肤接触。

泡棉层2上的导电海绵由高分子复合材料发泡技术制作而成，发泡孔径均匀，柔软、富有弹性，同时具有吸水的功能。如图4，导电泡棉采用可拆卸的独立式设计，形状为圆形，与电极本体表面尺寸一致，高度为6-8mm。在导电泡棉上设置若干用于穿入柔性探针的通孔，并与柔性电极本体上的探针排布一致，即探针恰好能穿过导电泡棉。具体实验过程中，导电泡棉除了能释放电解液降低头皮-电极之间的接触阻抗之外，还能起到缓解接触不适的效果。

储液层3包括储液池3.1、直排孔3.2、单向阀3.3、通孔3.4和连接器件3.5；储液池为长方体，并嵌入柔性电极本体层之中；直排孔3.2位于储液池下方，均匀分布于泡棉层2的上方，本实施例中设为5个，直径为1-2mm，如图5；单向阀3.3设置在储液池上端面，并与通孔3.4连接，通孔3.4与储液池连通，如图6。使用时单向阀3.3打开，通过通孔3.4向储液池3.1注入生理盐水等电解液，通孔的孔径约为10mm。连接器件3.5用于与电路层4连接，在该例中连接器件为公母扣，包括公扣3.5.1和母扣3.5.2，用导电金属按扣在电极本体上浇注连接端以形成电联接件，即公扣3.5.1，使用该连接器件的优点是在使用过程中电路层可以进行拆卸，如图7所示；同时连接器件3.5作为信号输入端将柔性电极本体层采集到的脑电信号送入电路层，经过有源电路后由电路层的连接器件5输出到后端进行下一步放大。实际过程之中也可不使用有源电路层而直接使用柔性半干电极进行脑电信号的采集。

电路层4为电路板PCB，采用高输入高阻抗缓冲放大器，以减少噪声，能有效地降低头皮与电极之间的等效接触阻抗，改善电极的信噪比，提高电极抵抗电磁波干扰运动及线缆干扰等能力，从而降低信号的衰减、相位畸变和增大共模抑制比。具体电路图如图8所示。高输入高阻抗缓冲放大器包括运算放大器，运算放大器的正极输入端串联电阻R1，输出端与负极输入端连接；运算放大器的输出端经电阻R2后输出高输入高阻抗缓冲放大器的输出。其中，运算放大器可使用现有芯片LMP7701MF。

其中，柔性电极本体层的制备过程，主要包括如下步骤：

(1)设计柔性电极本体的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干锥体。该扁平的片状结构内部采用镂空设计。

(2)在硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电硅胶。其中，碳系导电填料为炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或多种；金属系导电填料为银粉、铝镀银及镍粉中的一种或多种。

(3)利用3D打印技术，根据步骤(1)设计的三维模型，用步骤(2)制备的导电硅胶打印制备电极本体。电极本体层也可以采用传统的模型浇注技术来制备。

在使用时，首先将导电海绵和PCB电路板取下，并将导电海绵浸湿，连接上柔性电极本体，接着通过通孔向储液池内注入生理盐水等电解液，注水时单向阀3.3打开，停止注水时单向阀3.3关闭，最后安装好PCB电路板进行测试。

实例施2

如图9所示，本实施例中采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，也包括柔性电极本体层1、泡棉层2、储液层3、电路层4及电联器件5；与实例施1不同的是电路层与储液层、柔性电极本体层之间的连接方式改为一体式，不再使用可拆卸结构。与此同时，单向阀3.3和通孔3.4设置在柔性电极本体层的一侧。使用时首先将泡棉层取下并轻微浸湿，再将电极本体层与单向阀3.3相对的一侧贴于地面，通过通孔3.4向储液池3.1注入生理盐水等电解液。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，包括柔性电极本体层、泡棉层和储液层；所述柔性电极本体层中的柔性探针为阵列式传感器结构；泡棉层中的导电泡棉上设置若干用于穿入柔性探针的通孔，若干通孔与柔性探针排布一致；储液层内储存电解液，并设有用于将电解液释放到泡棉层中的导电泡棉上的释放组件；

所述用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极还包括电路层，储液层还包括连接器件；连接器件作为信号输入端将柔性电极本体层采集到的脑电信号送入电路层进行处理；所述电路层采用高输入高阻抗缓冲放大器，降低头皮与所述用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极之间的等效接触阻抗；

高输入高阻抗缓冲放大器包括运算放大器，运算放大器的正极输入端串联电阻R1，输出端与负极输入端连接；运算放大器的输出端经电阻R2后输出高输入高阻抗缓冲放大器的输出；

所述柔性探针的形状为锥体，柔性探针的长度为8-10mm；所述导电泡棉用可拆卸的独立式设计，与电极本体表面尺寸一致，高度为6-8mm；

所述储液层采用镂空式设计，包括嵌入柔性电极本体层之中的储液池；所述释放组件为位于储液池下方、均匀分布于泡棉层上方的若干直排孔；

所述储液层还包括单向阀和通孔；单向阀设置在储液池上端面或测端面，并与储液层的通孔连接；储液层的通孔与储液池连通；

储液层的连接器件与电路层连接，连接器件包括公扣和母扣，用导电金属按扣在电极本体上浇注连接端以形成公扣，使电路层在使用过程中可拆卸。

2.根据权利要求1所述的用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，所述柔性探针采用基于硅胶的柔性导电材料制作。

3.根据权利要求2所述的用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，所述基于硅胶的柔性导电材料添加碳系导电填料或金属系导电填料。

4.根据权利要求3所述的用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，所述碳系导电填料为炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或多种；所述金属系导电填料为银粉、铝镀银及镍粉中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，所述直排孔的直径为1-2mm。

6.根据权利要求1所述的用于采集脑电信号的柔性半干式多层结构电极，其特征在于，所述柔性电极本体层，其制备过程包括如下步骤：

(1)设计柔性电极本体的三维模型，该三维模型包括扁平的片状结构，以及从该扁平的片状结构一表面延伸出来的若干锥体；该扁平的片状结构内部采用镂空设计；

(2)在硅胶中掺杂碳系导电填料或金属系导电填料，制备成导电硅胶；

(3)利用3D打印技术，根据步骤(1)设计的三维模型，用步骤(2)制备的导电硅胶打印制备柔性电极本体；

所述碳系导电填料为炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或多种；所述金属系导电填料为银粉、铝镀银及镍粉中的一种或多种。