專利名稱：刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的裝置，具體是一種刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS:Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，使得微電子設(shè)備和微傳感器等微型系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已廣泛應(yīng)用于民用、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域?；谖⒓庸すに嚨尼樞臀㈦姌O的研究得到了迅速發(fā)展。微電極結(jié)構(gòu)主要有平面微電極和異平面微電極以及將平面微電極組裝成陣列形狀的微電極，這些不同結(jié)構(gòu)的微電極都具有各自的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的腦電信號(hào)采集設(shè)備是基于濕電極的。使用者在使用腦電信號(hào)采集設(shè)備前， 必須要涂導(dǎo)電膏，以減少角質(zhì)層對(duì)采集到的腦電信號(hào)的影響。但是涂抹導(dǎo)電膏需要在外人輔助下進(jìn)行，需要花費(fèi)較長時(shí)間，而且濕的導(dǎo)電膏干后不能有效采集腦電，不利于長期采集腦電。近些年來，隨著微電極技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了干電極腦電信號(hào)采集設(shè)備。該設(shè)備通常采用微針結(jié)構(gòu)。微針的長度剛穿透角質(zhì)層，有效的獲取腦電信號(hào)，又可以無痛。這種方式不僅能夠克服角質(zhì)層的電阻性，還可以避免涂抹導(dǎo)電膏的不便，而且由于采集到的信號(hào)是直接從生發(fā)層提取的，其采集到的信號(hào)甚至比濕電極腦電信號(hào)采集設(shè)備采集到的信號(hào)效果要好。目前針對(duì)采集腦電信號(hào)的干電極如何突破頭發(fā)的障礙是一個(gè)迫在眉睫的問題。一方面，由于MEMS制造工藝的限制，難以制造出高剛度微電極，微電極過長剛度不夠，過短則無法穿透頭發(fā)；另一方面，由于頭發(fā)的干擾，加上腦電信號(hào)的微弱，微電極穿過頭發(fā)采集腦電信號(hào)很困難。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，W. C. Ng, H. L. See等人在《Journal of Materials Processing Technology》209 (2009)4434-4438 M ^； "Micro-spike EEG electrode and the vacuum-casting technology for mass production"(“使用真空微鑄造技術(shù)批量生產(chǎn)的微針腦電極”《材料工藝技術(shù)》)，該文提及采用鑄造技術(shù)形成一個(gè)柱子和針尖，柱子在一個(gè)圓柱形基座上，基座上按照直徑不同形成陣列，柱子的作用是作為一個(gè)障礙來控制針尖刺入頭皮的深度，避免電極刺入頭皮太深。但是，該文中并未對(duì)微針電極的剛性作出充分考慮，由于從微針電極的制作工藝上來講，微針過長則剛性不足，不利于突破頭發(fā)障礙并刺穿頭皮，而且，無法控制穿過頭發(fā)刺入頭皮的深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，該電極能都快速獲得可靠穩(wěn)定的腦電信號(hào)，以解決一直以來在采集腦電的時(shí)候受到頭發(fā)干擾的問題。本發(fā)明可以插入頭發(fā)，異平面微針電極陣列可以通過控制電路控制其在框架內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)整合適位置避免頭發(fā)障礙刺穿頭皮達(dá)到皮膚的生發(fā)層進(jìn)行腦電信號(hào)的采集。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明包括微針電極，微針電極載體，微針電極框架和控制裝置。其中所述微針電極框架上設(shè)有小圓柱陣列，所述小圓柱上設(shè)有通孔，所述微針電極通過微針電極載體組裝成異平面微針電極陣列，組裝后的異平面微針電極陣列通過微針電極框架上的通孔插入微針電極框架中，控制裝置設(shè)置在微針電極框架上，所述微針電極位置可以通過控制裝置的控制在微針電極框架內(nèi)上下調(diào)節(jié)。在采集時(shí)，利用微針電極框架上小圓柱穿過頭發(fā)抵觸頭皮，再控制異平面微針電極陣列在微針電極框架內(nèi)的壓縮運(yùn)動(dòng)刺穿頭皮達(dá)到相應(yīng)位置。所述的微針電極通過MEMS技術(shù)制作的平面電極，長度可以根據(jù)頭發(fā)的厚度來確定，針尖長度為0. 05、. 15mm，利用MEMS技術(shù)制作出具有合適長度的微針和載體，通過框架上開出的通孔將微針插入其中組裝成異平面微針電極陣列，此電極的陣列數(shù)可以根據(jù)需要制作出相應(yīng)的陣列數(shù)，陣列軌跡也可以靈活設(shè)計(jì)。所述的框架結(jié)構(gòu)為直徑、高度不等的三個(gè)圓柱體疊加而成，最上面的圓柱直徑最大，往下依次減小，最下面的小圓柱直徑需根據(jù)微針電極以及頭發(fā)之間的間隙來確定。三個(gè)圓柱的高度根據(jù)電極的固定位置、頭發(fā)細(xì)密進(jìn)行設(shè)計(jì)。最下面的小圓柱需要根據(jù)異平面微針電極陣列的個(gè)數(shù)和軌跡來確定其個(gè)數(shù)以及軌跡，二者在數(shù)量和軌跡上相同即可。同時(shí)，需要在框架上開通孔，孔徑根據(jù)微針的直徑確定，只需要比微針直徑略大一點(diǎn)，能夠讓微針電極穿過即可。所述的控制裝置用來調(diào)整微針電極刺入頭皮的深度，保證電極與頭皮接觸良好。 控制裝置固定于框架上，且與微針電極載體相連接。控制裝置的控制方式不限，傳動(dòng)方式不限，可以根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)。所述異平面微針電極陣列可以通過控制裝置在框架內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的控制可設(shè)計(jì)相應(yīng)控制裝置，在框架固定在頭上之前，電極處于松弛狀態(tài)，亦即電極處于框架開出的陣列孔內(nèi)，等到框架固定住后，框架上最下面的陣列圓柱已經(jīng)抵觸頭皮，通過控制裝置將異平面微針電極陣列向下運(yùn)動(dòng)，將異平面微針電極陣列從陣列圓柱內(nèi)露出，直至刺入頭皮達(dá)到采集時(shí)所需的深度即可。本發(fā)明所采用的材料分別為微針電極以及微針電極載體可選用生物相容性材料，并且在微針電極表面濺射一層生物相容性好的導(dǎo)電薄膜，微針電極框架可選用絕緣材料。本發(fā)明采用MEMS制作工藝制作平面電極，MEMS工藝制作平面電極的優(yōu)勢(shì)在于電極的長度可以不受限制，這種優(yōu)勢(shì)對(duì)于在采集腦電信號(hào)的時(shí)候顯得尤為重要。根據(jù)研究表明，腦電信號(hào)的主要區(qū)域在頭頂偏后的位置，不過該位置由于頭發(fā)的困擾，一直以來，采用干電極技術(shù)采集腦電信號(hào)都是將電極放置于額頭靠近發(fā)跡線處以避免頭發(fā)的干擾。本發(fā)明通過相應(yīng)結(jié)構(gòu)和控制裝置能克服頭發(fā)的障礙，可以控制腦電極刺入頭皮的深度，將電極放置于腦電信號(hào)豐富的位置，采集的腦電信號(hào)更為精確。而且，與現(xiàn)有的干電極技術(shù)相比結(jié)構(gòu)巧妙，性能更加突出。


圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的局部剖視圖； 圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的異平面微針電極陣列示意圖； 圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的的俯視圖中圓柱體1、2、3，微針電極4，微針電極載體5，通孔6，控制裝置7。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括微針電極4，微針電極載體5，微針電極框架和控制裝置7。其中所述微針電極框架上設(shè)有小圓柱3陣列，所述小圓柱上設(shè)有通孔，所述微針電極4通過微針電極載體5組裝成異平面微針電極陣列，組裝后的異平面微針電極陣列通過微針電極框架上的陣列孔插入微針電極框架中，控制裝置7設(shè)置在微針電極框架上，所述微針電極4位置可以通過控制裝置7的控制在微針電極框架內(nèi)上下調(diào)節(jié)。在采集時(shí)，利用微針電極框架上小圓柱穿過頭發(fā)抵觸頭皮，再控制異平面微針電極陣列在微針電極框架內(nèi)的壓縮運(yùn)動(dòng)刺穿頭皮達(dá)到相應(yīng)位置。本實(shí)施例中，所述微針電極框架是由直徑、高度不等的三個(gè)圓柱體(即圖中圓柱體 1、2、3)疊加構(gòu)成。最上面的圓柱直徑最大，往下依次減小，最下面的圓柱直徑需根據(jù)微針電極以及頭發(fā)之間的間隙來確定。如圖4所示，所述圓柱體上設(shè)有陣列通孔6，孔徑為0.5mm， 孔分布在直徑為12mm的最上面的圓柱1上，并穿過中間直徑為8mm的圓柱2和最下面小圓柱3陣列。如圖2所示，該圖為一實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)的剖視圖，本實(shí)施例中，微針電極4和微針電極載體構(gòu)成的異平面微針電極陣列，通過微針電極框架上的孔插入微針電極框架中， 微針電極4可以在孔內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，本實(shí)施例采用的是將包含有四針的微針電極4繞成環(huán)狀，并調(diào)整合適的間距插入微針電極載體5，共兩層微針電極4構(gòu)成，形成含有八針的異平面微針電極陣列。本實(shí)施例中微針電極通過MEMS工藝濺射Cr/Cu種子層，旋涂光刻膠，光刻，顯影， 電鍍M形成平面微針，為了提高生物相容性，在M上濺射一層Au薄膜，最終形成了本發(fā)明中的微針電極。本實(shí)施例的工作原理為皮膚的結(jié)構(gòu)可以分為三層角質(zhì)層(SG)、生發(fā)層(SC)以及真皮層(Dermis)。由于角質(zhì)層阻抗太大，生發(fā)層有細(xì)胞、體液，真皮層有豐富的神經(jīng)、血管。因此，微針電極4穿過角質(zhì)層達(dá)到生發(fā)層即可，這樣既可以大大降低電極測(cè)量阻抗，又不會(huì)造成疼痛感和流血。為了消除在采集腦電信號(hào)時(shí)頭發(fā)的干擾，利用框架上的小圓柱3 來插入頭發(fā)中。相比于皮膚準(zhǔn)備法的濕電極而言，此電極無需導(dǎo)電膏等來輔助腦電信號(hào)采集，大大降低采集的復(fù)雜程度，利于腦電信號(hào)的長期監(jiān)測(cè)采集。本實(shí)施例中當(dāng)本裝置應(yīng)用于腦電信號(hào)采集時(shí)，將框架固定于頭上，利用微針電極框架上的小圓柱3穿過頭發(fā)，小圓柱3的直徑為0. 3mm，長度2. 5mm。在微針電極框架固定好之前，異平面微針電極陣列通過控制裝置控制其向上運(yùn)動(dòng)一段距離，以使電極的針尖處于孔內(nèi)，等微針電極框架在頭上固定好后，異平面微針電極陣列通過控制裝置電路控制其在框架的孔內(nèi)向下的運(yùn)動(dòng)，以使電極能達(dá)到合適的位置穿過頭皮，達(dá)到皮膚的生發(fā)層。通過這樣的裝置，不但可以長期對(duì)腦電信號(hào)的采集，而且也避免的了頭發(fā)的干擾以及外部的噪聲。
如表1所示，本實(shí)施例的實(shí)際應(yīng)用要求所用尺寸如表所示
權(quán)利要求
1.一種刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于包括微針電極，微針電極載體，微針電極框架和控制裝置，其中所述微針電極框架上設(shè)有小圓柱陣列，所述小圓柱上設(shè)有通孔，所述微針電極通過微針電極載體組裝成異平面微針電極陣列，組裝后的異平面微針電極陣列通過微針電極框架上的通孔插入微針電極框架中，控制裝置設(shè)置在微針電極框架上，所述微針電極位置通過控制裝置的控制在微針電極框架內(nèi)上下調(diào)節(jié)，采集腦電信號(hào)時(shí)，微針電極框架上小圓柱穿過頭發(fā)抵觸頭皮，控制異平面微針電極陣列在微針電極框架內(nèi)的壓縮運(yùn)動(dòng)刺穿頭皮達(dá)到相應(yīng)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于， 所述的微針電極框架為直徑、高度不等的三個(gè)圓柱體疊加而成，最上面的圓柱直徑最大，往下依次減小，最下面的小圓柱直徑根據(jù)微針電極以及頭發(fā)之間的間隙來確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于，所述小圓柱根據(jù)異平面微針電極陣列的個(gè)數(shù)和軌跡來確定其個(gè)數(shù)以及軌跡，兩者在數(shù)量和軌跡上相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于， 所述的控制裝置用來調(diào)整微針電極刺入頭皮的深度，控制裝置固定于微針電極框架上，且與微針電極載體相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于， 所述異平面微針電極陣列通過控制裝置控制在微針電極框架內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)，在微針電極框架固定在頭上之前，電極處于松弛狀態(tài)，即電極處于微針電極框架的陣列孔內(nèi)，等到框架固定住后，框架上最下面的小圓柱已經(jīng)抵觸頭皮，通過控制裝置將異平面微針電極陣列向下運(yùn)動(dòng)，將異平面微針電極陣列從陣列圓柱內(nèi)露出，直至刺入頭皮達(dá)到采集時(shí)所需的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于， 所述的微針電極是通過MEMS技術(shù)制作的平面電極，長度根據(jù)頭發(fā)的厚度來確定，針尖長度為 0. 05 0. 15mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，其特征在于， 所述微針電極以及微針電極載體選用生物相容性材料，并且在微針電極表面濺射一層生物相容性好的導(dǎo)電薄膜，微針電極框架選用絕緣材料。
全文摘要
一種刺入深度可控的異平面微針陣列腦電干電極，包括整體框架，微針電極，微針電極載體，微針電極安裝在微針電極載體上構(gòu)成異平面微針電極陣列，通過框架上的孔陣列插入框架內(nèi)，并且異平面微針電極陣列可以在框架內(nèi)作上下運(yùn)動(dòng)?？蚣苌系男A柱插入頭發(fā)，避免頭發(fā)對(duì)電極的干擾，異平面微針電極陣列可以通過控制裝置控制電極在框架內(nèi)做上下運(yùn)動(dòng)來調(diào)整合適的位置刺穿頭皮達(dá)到皮膚的生發(fā)層。本發(fā)明用于腦電信號(hào)采集的腦電極結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)有的MEMS工藝和機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠很好的采集腦電信號(hào)，與傳統(tǒng)的濕電極相比，不需要皮膚準(zhǔn)備步驟，可以用于長期腦電信號(hào)的檢測(cè)，其結(jié)構(gòu)小巧，使用方便快速，減少外部噪聲，可以完成微伏級(jí)腦電信號(hào)的高質(zhì)量記錄。
文檔編號(hào)A61B5/0478GK102334989SQ201110215380
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉景全, 楊斌, 楊春生, 王龍飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)