一種用于生物電信號感測的半干電極、系統以及方法與流程

本發明屬于生物電技術領域，具體涉及一種用于生物電信號感測的半干電極，以及其系統和方法，廣泛用于生物電記錄、測量、和刺激，包括醫療設備、移動設備、家庭保健、心理認知、游戲、腦-機接口、康復訓練等，特別適用于腦電測量。

背景技術：

目前，記錄生物電信號如心電（EGG）、腦電（EEG）或肌電（EMG）常規地需要濕電極。濕電極是指需要使用較多電解質來降低電極皮膚阻抗的電極技術。濕電極使用的電解質可分成兩類：導電流體（如導電膠、導電鹽水）和導電膏或粘性凝膠。導電流體不具有粘結性，濕電極一般支撐體如電極帽、條帶等固定；而導電膏和粘性凝膠都含有粘合劑，可以直接固定電極，導電膏通常用于盤狀電極，粘性凝膠則用于一次性電極。

濕電極是目前臨床和科研應用的“金標準”，由于其阻抗低且穩定，一般在5 kΩ以內，信號質量高，但仍存在以下缺點：（1）濕電極需要涂覆導電膠（膏）和皮膚預處理，準備麻煩耗時，尤其是高密度電極測量；（2）電解質如導電膠容易變干，需定期補充導電膠；（3）導電膏或粘性凝膠有可能出現脫落，造成測量中斷；（4）電解質用量大，弄臟受試者的頭發，使用不舒適，測量后需要洗頭以去除電解質；因此，濕電極上述的不方便性，嚴重限制了戶外和個體化環境的腦電應用。隨著大數據、移動醫療和健康監測的發展，可穿戴設備和移動醫療設備亟需發展信號可靠、使用友好的電極。

為克服濕電極的上述局限性，近來已經開發了不需要外加電解質的干電極作為替代。這類干電極無需使用外加電解質，電導體直接與干皮膚接觸即可工作。應該指出，干電極并非絕對的“干”，電極與皮膚之間仍有微量的電解質，如周圍環境的濕氣或皮膚上的汗液。與濕電極相比，干電極無需施加電解質或者將 “濕”介質暴露于皮膚上。即使在皮膚和電極表面較干（例如無汗液）的情況下，干電極也能操作并且可以多次使用，因為并無流體用盡。最后，受試者感覺到“干”，因為其并未在受檢者皮膚上引入額外水分。因此，干電極在舒適度和壽命方面具有許多優點，使得它們特別適用于長期監視應用。但由于缺少外加的電解質，電極-皮膚阻抗高且不穩定，信號質量差，這是本發明要解決的主要問題。與濕電極相比，干電極傾向于具有多種信號質量問題包括高漂移、信號穩定時間長和對移動敏感。因此，尚未被廣泛地接受用于醫療和科研用途。此外，目前的干電極還具有許多可用性問題。雖然裸露皮膚如前額的信號獲取相對直接，但大多數 EEG記錄需要在有頭發覆蓋的頭皮進行。電極通常很難穿透頭發與保持良好接觸，尤其是頭發稠密。在最小的幫助或調整下，設計能快速穿過毛發的干電極系統仍然具有很大的挑戰。現有的干電極技術一般設計成可推開穿過毛發至頭皮的筆直、硬質的指狀物。雖然指狀物電極能夠有效穿過許多不同發型到達頭皮，但是仍具有以下缺點：如果指狀物的直徑足夠小，能夠容易地在毛發之間穿透，那么由于在尖點接觸頭皮處的高應力集中可能引起疼痛；而較大直徑的指狀物，雖然不會引起疼痛感，但不經手動調整通常不能在毛發之間穿透。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于根據現有技術的不足，設計一種用于生物電信號感測的半干電極，其結構合理，使用方便、舒適，電極與皮膚接觸良好，電極-皮膚阻抗相對低且穩定，信號質量好。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種用于生物電信號感測的半干電極，包括支撐底座、附接至支撐底座并從所述支撐底座延伸的至少一個支撐腿、離子緩釋體以及布置在支撐腿尾端的傳感元件；所述的離子緩釋體含有導電液體，并緩慢釋放導電液體以向受試者呈現半干表面；所述的離子緩釋體或其釋放的導電液體至少部分與傳感元件接觸，從而生物電信號通過離子緩釋體從受試者傳遞到所述的傳感元件上。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其支撐腿為爪式支撐腿，或/和柱狀支撐腿，或/和環狀支撐腿。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其爪式支撐腿或環狀支撐腿以非垂直于支撐底座的方向向外延伸，其尾端與待測皮膚成非垂直的角度。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其至少一個爪式支撐腿或環狀支撐腿在壓力下與受試者皮膚接觸時發生彎曲。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其柱狀支撐腿為長度可調的可伸縮式結構。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其柱狀支撐腿具有一個蘑菇形狀的尾端部。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其支撐底座上設有與傳感元件電連接的高輸入高阻抗緩沖放大器。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其離子緩釋體為顆粒填充物，或固定成型的整體。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其顆粒填充物為含有高吸導電液體的聚合物。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其固定成型的整體為能吸收導電溶液的多孔陶瓷，或/和非粘性水凝膠，或/和纖維織物，或/和泡棉。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其顆粒填充物填充于至少一個支撐腿的皮膚接觸端的空腔內，其接觸面上設有呈沙漏狀的微孔；或填充于至少一個支撐腿的皮膚接觸端，其接觸面粘貼/包裹有半透膜或離子滲透膜。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其固定成型的整體嵌入至少一個支撐腿的皮膚接觸端；或放置于傳感元件的表面。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其固定成型的整體具有錐形、半球形或蘑菇形狀的皮膚接觸端。

所述的一種用于生物電信號感測的半干電極，其傳感元件由柔性導電材料涂覆Ag/AgCl制成，所述的導電材料為導電塑料，導電硅膠，導電橡膠的一種或幾種復合而成；所述的導電液體為包括水，或/和氯離子的溶液。

本發明的目的之二在于根據現有技術的不足，設計一種采用上述半干電極的系統。

本發明的目的之三在于根據現有技術的不足，設計一種用于生物電信號感測的方法，步驟為將上述半干電極定位成與受試者的皮膚連通。

本發明的有益效果是：

1，本發明提供的半干電極，離子緩釋體緩慢釋放的導電液體，潤濕待測皮膚，有利于形成穩定的電極雙電層界面和電極-皮膚界面，相對于現有的干電極，電極-皮膚阻抗低且穩定，信號質量大幅改善；同時避免使用較多的電解質如導電膠、粘性凝膠等，使用舒適，避免弄臟頭發，測量后無需洗頭。此外，支撐腿有利于穿透頭發，保證電極與頭皮良好接觸。

2，本發明提供的半干電極，支撐腿采用非垂直于皮膚表面的爪式或環狀支撐腿，能快速有效地穿過頭發，與頭皮保持良好舒適的接觸。支撐腿還可以采用伸縮式柱狀支撐腿，其尾端為蘑菇形，不僅能適合不同頭型，還降低了疼痛感，提高了舒適度。離子緩釋體為固體成型的整體法相當于一個電解質的“水庫”，除能吸收導電液體，緩慢釋放導電液體外，還能緩和疼痛感，提高舒適度。

附圖說明

圖1是本發明半干電極第一實施例的結構示意圖；

圖2是本發明半干電極第二實施例的仰視圖；

圖3是本發明半干電極第一實施例的第一種爪式支撐腿的結構示意圖；

圖4是本發明半干電極第一實施例的第二種爪式支撐腿的結構示意圖；

圖5是本發明半干電極第三實施例的結構示意圖；

圖6是本發明半干電極第三實施例的環狀支撐腿的結構示意圖；

圖7是本發明半干電極第四實施例的結構示意圖；

圖8是本發明半干電極第四實施例的第一種柱狀支撐腿的結構示意圖；

圖9是本發明半干電極四實施例的第二種柱狀支撐腿的結構示意圖。

各附圖標記為：1—支撐底座，2—支撐腿，2a—爪式支撐腿，2b—柱狀支撐腿，2c—環狀支撐腿，2.1—凸起，2.2—補給孔，2.3—微孔，3—離子緩釋體，3a—顆粒填充物，3b—固體成型的整體，4—傳感元件，5—連接件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

實施例1

實施例1是本發明的一個基本實施例。

如圖1、2、5、7所示，一種用于生物電信號感測的半干電極，包括支撐底座1，至少一個支撐腿2以及離子緩釋體3；所述的支撐腿2附接至支撐底座1并從所述支撐底座1延伸，其支撐布置在尾端的傳感元件4；所述的離子緩釋體3含有導電液體，并緩慢釋放導電液體以用于向受試者呈現半干表面；所述的離子緩釋體3或其釋放的導電液體至少部分與所述的傳感元件4接觸，所述的生物電信號從所述的受試者通過離子緩釋體3傳遞到所述的傳感元件4上。

其優點是：離子緩釋體3緩慢釋放的導電液體，潤濕待測皮膚，有利于形成的穩定的電極雙電層界面和電極-皮膚界面，相對于干電極，電極-皮膚阻抗低且穩定，信號質量大幅改善；同時避免使用較多的電解質如導電膠、粘性凝結等，使用舒適，避免弄臟頭發，測量后無需洗頭。半干電極具有支撐腿結構，結構簡單，且有利于穿透頭發，保證電極與頭皮良好接觸。

實施例2

實施例2是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

如圖1所示，所述的支撐腿2為爪式支撐腿2a，能快速有效穿過頭發。所述的爪式支撐腿2a從所述支撐底座1以非垂直于支撐底座1的方向向外延伸，其尾端與待測皮膚成非垂直的角度。

現有技術的電極支撐如電極帽、條帶等通常提供垂直于待測皮膚方向的力，本發明將爪式支撐腿2a尾端定向為相對于待測皮膚非垂直的方向，因此在上述力的作用下將向水平方向發生偏轉，使得爪式支撐腿2a在待測皮膚上滑動，從而與皮膚形成良好的接觸。所述的爪式支撐腿2a在壓力下與受試者皮膚接觸時，至少一個所述爪式支撐腿2a適于彎曲，以使爪式支撐腿2a更好地接觸頭皮。

實施例3

實施例3是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

與實施例2唯一的不同的是，如圖5所示，所述的支撐腿2為環狀支撐腿2c。

好處是：能更好地將彎曲動作限制為相對于支撐底座1的徑向、向外的方向，此外可將傳感元件4制成環的部分，這使得傳感元件4在壓力條件能夠彎曲并提供較好的舒適性以及較大的皮膚接觸面積。

實施例4

實施例4是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

如圖7所示，所述的支撐底座1為圓形，所述的支撐腿2為柱狀支撐腿2b，數量為6個。應該指出支撐底座1的形狀不限于圓形，可根據需要靈活設計。柱狀支撐腿2b的數量和大小以能快速有效穿過頭發為宜。這種柱狀支撐腿2b結構簡單，能快速有效地穿透頭發。所述的柱狀支撐腿2b可伸縮，長度能調節。由于頭皮是一個不規則的曲面，在支撐體如電極帽的壓力下，可伸縮的柱狀支撐腿2b能保證所有的柱狀支撐腿2b都能很好地接觸頭皮。所述的柱狀支撐腿2b尾端為蘑菇形，避免或減輕疼痛感，提高使用的舒適度。

實施例5

實施例5是在實施例1—4的基礎上做進一步的改進。

所述的支撐腿2為爪式支撐腿2a、柱狀支撐腿2b、環形支撐腿2c的兩者及以上的組合。如圖2所示，所述的支撐腿2包括外周的爪式支撐腿2a和中間的柱狀支撐腿2b。

實施例6

實施例6是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

所述的支撐底座1上設有高輸入高阻抗緩沖放大器，其與傳感元件4電連接，有利于提高信號的質量，能有效地避免環境噪音干擾和工頻干擾。

實施例7

實施例7是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

所述的離子緩釋體3為顆粒填充物3a。所述的顆粒填充物3a含有高吸導電液體的聚合物。所述的高吸導電液體的聚合物為聚丙烯酸類，優選聚丙烯酸鈉。使用前浸泡于導電液體中，吸水膨脹。

實施例8

實施例8是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

所述的離子緩釋體3為固體成型的整體3b，避免顆粒物的泄漏。所述的固體成型的整體3b能吸收導電溶液，可以是多孔陶瓷，可以是非粘性水凝膠，可以是纖維織物，可以泡棉（海綿），還可以是以上兩種及以上的組合。多孔陶瓷可利用毛細作用力自動吸收導電液體。與濕電極的粘性凝膠相比，使用后凝膠不會殘留在毛發上，取電極時也不易因拉扯而損害頭發。這些固體成型的整體3b相當于一個電解質的“水庫”，能反復多次吸收導電液體，待其與皮膚接觸時，能緩慢釋放導電液體，此外，這些固體成型的整體3b為相當于電極與皮膚之間的一個緩沖器，能緩和疼痛感，提高舒適度。

實施例9

實施例9是在實施例7的基礎上做進一步的改進。

如圖3、6、8所示，所述的顆粒填充物3a填充于至少一個所述支撐腿2的皮膚接觸端的空腔內，其接觸面上設有微孔2.3，呈沙漏狀。這樣既可以盡量避免顆粒物的外泄，又能保證導電液體通過微孔2.3釋放到待測皮膚表面。對于爪式支撐腿2a或柱狀支撐腿2b，空腔設置于支撐腿2的尾端；對于環狀支撐腿2c，空腔設置于環的中部。

實施例10

實施例10是在實施例9的基礎上做進一步的改進。

所述的顆粒填充物3a填充于至少一個所述支撐腿2的皮膚接觸端，其表面粘貼有半透膜或離子滲透膜，或包裹有半透膜或離子滲透膜，完全避免了顆粒物的外泄，同時保證導電液體通過膜釋放到待測皮膚表面。

實施例11

實施例11是在實施例8的基礎上做進一步的改進。

如圖4、9所示，所述的固體成型的整體3b嵌入至少一個所述支撐腿2的皮膚接觸端。同樣地，對于爪式支撐腿2a或柱狀支撐腿2b，嵌入于支撐腿2的尾端。對于環狀支撐腿2c，嵌入于環的中部。除了緩釋導電液體外，還在支撐腿2與皮膚之間起緩沖作用，提高舒適度。當所述的固定成型的整體3b放置于傳感元件的表面,則屬于另外的實施例。如在每個支撐腿傳感元件表面墊上吸有導電液體的棉墊，或在待測皮膚墊上上述的棉墊，所有支撐腿的尾端部表面設有傳感元件，其與該棉墊接觸。

實施例12

實施例12是在實施例11的基礎上做進一步的改進。

如圖9所示，所述的固體成型的整體3b與皮膚的接觸端為錐形，或球面，或蘑菇形，這有利于提高舒適性，減少皮膚的損傷。此外錐形的支撐體有利于將施加的壓力能集中于錐形的尖部，促進內部導電液體的釋放。

實施例13

實施例13是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

所述的傳感元件4由柔性導電材料涂覆Ag/AgCl制成，還可以是固體粉末Ag/AgCl電極；這些傳感元件可根據需要靈活布置在支撐腿的尾端，如可設置在支撐腿尾部的表面，或放置緩釋體的空腔內表面。所述的導電材料為導電塑料、導電硅膠、導電橡膠的一種或幾種復合而成。所述的導電液體成分包括水，或/和含氯離子的溶液。含氯離子的導電溶液優選NaCl或KCl溶液。

實施例14

實施例14是在實施例1的基礎上做進一步的改進。

如圖1所示，所述的支撐底座1上設有連接件5，其既可與支撐體如帽體、頭盔、條帶等可拆卸地連接，又能與外電路電連接。

如圖1所示，所述的爪式支撐腿2a還設有凸起2.1，用于增強與皮膚的接觸。

如圖3所示，所述的支撐腿2上還可以設置補給孔2.2，用于添加補充顆粒物或導電液。

實施例15

實施例15是本發明一種用于生物電信號感測的系統的基本實施例。

一種用于生物電信號感測的系統，包括所述的半干電極。

如圖1、2、5、7所示，所述的半干電極包括支撐底座1，至少一個支撐腿2以及離子緩釋體3；所述的支撐腿2附接至支撐底座1并從所述支撐底座1延伸，其支撐布置在尾端的傳感元件4；所述的離子緩釋體3含有導電液體，并緩慢釋放導電液體以用于向受試者呈現半干表面；所述的離子緩釋體3或其釋放的導電液體至少部分與所述的傳感元件4接觸，所述的生物電信號從所述的受試者通過離子緩釋體3傳遞到所述的傳感元件4上。

實施例16

實施例16是本發明的一種用于生物電信號感測的方法的基本實施例。

一種用于生物電信號感測的方法，包括將所述的半干電極定位成與所述的受試者的皮膚連通。如圖1、2、5、7所示，所述的半干電極，包括支撐底座1，至少一個支撐腿2以及離子緩釋體3；所述的支撐腿2附接至支撐底座1并從所述支撐底座1延伸，其支撐布置在尾端的傳感元件4；所述的離子緩釋體3含有導電液體，并緩慢釋放導電液體以用于向受試者呈現半干表面；所述的離子緩釋體3或其釋放的導電液體至少部分與所述的傳感元件4接觸，所述的生物電信號從所述的受試者通過離子緩釋體3傳遞到所述的傳感元件4上。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。