用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元制造技术

本发明专利技术提供了一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元。该电极探针中，探针头表面镀Ag/AgCl、金或钛合金等防氧化材料，可以防止探针头氧化，同时增加电极的生物相容性；表面修饰导电聚合物聚吡咯石墨烯等具有纳米效应且生物兼容性好的材料，可以进一步提高检测的稳定性和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元
本专利技术涉及医疗器械
，尤其涉及一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元。
技术介绍
脑机接口(Brain-ComputerInterface，简称BCI)是一种可以在人脑与外部设备之间建立信息交互的系统。它通过一定手段检测大脑活动信号，再利用信号处理和模式识别等方法从中辨别出人的意图，从而把人的思维活动转换为计算机指令，实现对外部设备的控制或与外界进行信息交流。由于脑机接口不需要人的肢体动作或者语言表达直接参与，这项技术既可以为伤残人群提供更加有效的医疗康复和生活辅助设备，又可以成为一种新型人机一体化系统的实现方式，从而在医疗、工业、军事、交通等众多领域具有重要的应用前景。随着神经科学认知心理学和人工智能研究的深入发展，脑电图信号-头皮脑电(EEG，Electroencephalogram)，这种重要的生理信号，正在被越来越多地应用到医学诊断以及神经生物学研究等领域。作为中枢神经系统的直接外在表征，头皮脑电能反映出大脑皮层不同区域的活动状态，可用来检测人的生理心理状态以及不同脑功能区的交互方式；可为癫痫、痴呆、肿瘤等脑部疾病提供诊断信息。头皮脑电可结合脑电解读技术，完成脑与外部设备的直接通信，实现脑机接口系统作为上述应用的原始输入信号。脑电的采集质量会受相关的采集环境限制，这一特点严重影响各种脑电应用的可靠性和实用性。如何在保证脑电信号质量的同时，尽可能地减少对采集环境的限制，从而扩大脑电检测的应用范围，已成为脑电采集技术的一个重要课题。在EEG信号检测中，前端检测电极的可靠性和稳定性是研究的一个难点。受到头发、头皮分泌物以及电极与头皮接触状态等众多因素的影响，头皮与电极之间往往具有较大阻抗，使得检测到的信号噪声较大，波形失真严重。如何降低头皮与电极之间的阻抗，并长期保持这两者之间稳定的阻抗值，研制出精确、可靠，操作简单且能够长时间连续使用的脑电信号采集系统，一直是EEG信号检测技术研究中的难题。目前，降低电极与头皮之间阻抗常用的方法有两类，一种是电极与大脑头皮不直接接触，通过在两者之间加入液态或者糊状的导电介质，实现电极与头皮之间的低阻抗接触，这类电极也常被称为湿电极。另一种则不需要导电介质，而是通过对电极结构进行专门设计，直接将电极末端和头皮接触以降低电极阻抗，这类电极相应的被称为干电极。采用湿电极在准备良好的情况下能够有效的降低电极阻抗，所采集得到的脑电数据信噪比较高；但是存在两个难以克服的缺点。一是实验准备过程复杂，实验操作者需要花费较多的时间和精力对每个采集位置涂抹导电膏，或者将电极放入导电液中浸泡，这一过程一般要花费几十分钟到一、二个小时不等，且实验效果对操作者的技术和经验依赖性较大，一般只能在医院进行，测试环境受限制，不适合家庭或社区医院应用；二是导电介质会在实验过程中发生变化，比如导电膏的流动性会导致电极与头皮接触不良，甚至会发生相邻电极的导电膏接触，引起信号串扰，而导电液(如生理盐水)则会受人体体温的影响，在实验过程中不断蒸发，导电性能下降，接触电阻增大。这些因素都会使电极阻抗随着实验的不断进行而逐步增大，影响实验数据的稳定性，降低单次实验的有效进行时间。因此，湿电极不适用于无线实时长时间监测脑电信号。相比之下，干电极由于不需要导电介质，能有效降低实验准备过程的复杂度，大大缩短实验准备时间。目前，用于脑电测试的干电极主要分为基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺制造的微针电极、基于电容效应的非接触电极和超大输入阻抗的指状电极。上海交通大学微纳科学技术研究院研制的微针干电极，其主要优点是测试准备步骤简易，不需要涂抹磨砂膏和导电膏；接触电阻可以和湿电极媲美；可实现长时间实时测量EEG。但同时也存在不足之处，主要是不易制造，成本高；不能用于有发区测量；对人体有一定的侵害性，有传染隐患。电极微针尺寸的大小要平衡侵害性、易断性和是否可以刺穿角质层三个方面，总结微针电极不适宜在有发区进行测量的原因是：角质层厚度是10～40μm，人体头发的厚度一般为50～100μm，要求微针电极至少是100～200μm长，而这个尺寸的微针结构既容易断又有侵害性。伯克利大学Chi，Y.M研制的用于脑电测试的非接触型电极，一般采用电容效应原理来检测脑电信号，接触阻抗很大(1012kΩ)，接触电阻受距离影响大，易引入外界噪声；要求后接精密度高的检测放大电路，测得信号失真较大，稳定性不是很好。美国圣地亚哥大学的Matthews，R.制作的超大输入阻抗的指状电极，其优点是脑电测量时不会穿透头皮角质层，但是接触电阻非常大，约为107Ω，因而需要在前端接具有超高输入阻抗的放大器；传统湿电极脑电采集设备的放大器的输入阻抗约为108～1011Ω，而该种技术的放大器的输入阻抗要求达到1012Ω；同时接触电阻阻值不稳定，跟接触压力有关，并且部分被试者有刺痛和不适感。总之，设计适用于无线实时长期监测脑电的干电极应该考虑的因素有以下四个方面：(1)电极与皮肤间阻抗小；(2)不需要磨去角质层和涂抹导电胶，实验前准备时间短，可操作性好；(3)容易固定，对外界屏蔽佳，性能稳定，可以长时间使用；(4)需有一定的机械强度，同时对人体组织不会产生物理或化学性伤害，生物兼容性好。而目前已有的EEG信号电极探针灵敏度较差、患者感官体验差、不能满足无线实时长期监测脑电信号的需求，迫切需要研究制造出适用于有发区EEG信号检测且灵敏度高稳定性强的新型干电极单元。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种用于脑电信号探测的电极探针及应用其的干电极单元，以提高探测灵敏度。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于脑电信号探测的电极探针。该电极探针包括：探针头11，其头部呈圆弧状，该圆弧状头部的外侧表面具有防氧化层，在该防氧化层的外侧还修饰有生物敏感材料层；其中，该防氧化层为由生物相容性好的材料制备，生物敏感材料层由具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料制备。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种干电极单元。该干电极单元包括：上板20；下板30；其中，若干根上述的电极探针穿过上板20并同时固定于上板20和下板30上。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术用于脑电信号探测的电极探针及应用其的脑电干电极具有以下有益效果：(1)探针头表面镀Ag/AgCl、金或钛合金等防氧化材料，可以防止探针头氧化，同时增加电极的生物相容性；表面修饰导电聚合物聚吡咯石墨烯等具有纳米效应且生物兼容性好的材料，可以进一步提高检测的稳定性和灵敏度；(2)已有的基于MEMS工艺的微针干电极，使用时需刺入皮肤，因其形状细长易断裂，易残留在人体引起感染，本专利技术采用具有弹簧结构的探针作为接触电极，既能够实现电极与头皮的紧密接触，又具有缓冲和保护作用，探针头的直径尺寸选择1.3mm，毫米量级，不会刺入皮肤的真皮层，对人体没有侵害性，暴露在外面的探针长度为8mm，直径1mm，不易断裂，可以穿过头发接触到大脑头皮，能够实现有发区的脑电信号检测；(3)在脑电干电极中，上板和下板之间用绝缘胶带缠绕，将除探针头之外的探针其他部分涂覆绝缘材料做绝缘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于脑电信号探测的电极探针，其特征在于，包括：探针头(11)，其头部呈圆弧状，该圆弧状头部的外侧表面具有防氧化层，在该防氧化层的外侧还修饰有生物敏感材料层；其中，该防氧化层为由生物相容性好的材料制备，所述生物敏感材料层由具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料制备。

【技术特征摘要】
1.一种用于脑电信号探测的电极探针，其特征在于，包括：探针头(11)，其头部呈圆弧状，该圆弧状头部的外侧表面具有防氧化层，在该防氧化层的外侧还修饰有生物敏感材料层；套筒(13)，其形成单侧开口的内腔，其内壁具有一段朝向内侧的环状突起；活塞(12)，与套筒的内腔轴向活动配合，该活塞的伸出内腔外的部分与所述探针头(11)固定连接，该活塞的中段的外壁具有一段朝向内侧的环状凹陷；弹性件，其一端抵住内腔的底部，另一端抵接于活塞位于内腔内的一端；以及相互配合的限位结构，设置于套筒(13)的内壁与活塞(12)的外壁，用于将活塞(12)的一部分限制于套筒(13)的内腔内；其中，所述环状突起可在所述环状凹陷内沿套筒(13)的轴向移动，所述环状凹陷的上侧壁防止所述活塞(12)脱离所述套筒(13)，所述环状凹陷以及所述环状凸起构成所述相互配合的限位结构，在所述套筒(13)、活塞(12)、弹性件和相互配合的限位结构的共同作用下，所述探针头可在预设范围内伸缩移动；其中，该防氧化层为由生物相容性好的材料制备，所述生物敏感材料层由具有纳米效应且生物兼容性好的生物敏感材料制备。2.根据权利要求1所述的电极探针，其特征在于，所述生物相容性好的材料为：金、...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖淑萍，蔡新霞，刘军涛，王力，刘欣阳，孙建辉，徐声伟，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11