可用于動態心電測量的柔性心電電極及制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于可穿戴器件技術領域，具體涉及一種可用于動態心電測量的柔性心電電極及制作方法，其適合記錄人體在大幅度運動狀態下心電數據的柔性心電電極貼。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著社會經濟和科技水平的提高，人們對健康的關注有了顯著的提高。心電是由人體心肌生物電活動產生的，是醫學上檢測心臟病的重要手段，心電信號的監測受到越來越多的關注。常規的心電監測是記錄患者在兩三分鐘內的一段心電波形，但是有些患者的心電圖波形只是在某些時刻會出現異常，因此讓這樣的患者做心電圖基本看不出什么問題。而動態心電監測可以在24小時連續監測并記錄多達10萬次左右的心電信號，可以記錄全部的異常電波。通過動態心電監測，醫生可以發現患者隱藏比較深的身體缺陷，尤其對早期冠心病有較高的檢出率。
[0003]電極在心電記錄中扮演著一個重要的角色，電極性能的好壞直接影響到心電的記錄。目前，大部分電極都能很好監測人體靜止狀態下的心電信號，但是在動態心電監測中，患者會經常處于運動狀態，電極和皮膚會發生相互作用從而產生運動偽跡。運動偽跡嚴重干擾測量的正常進行，也影響到臨床醫學診斷。運動偽跡主要包含兩種:一種是由于電極和皮膚之間的滑移。二者接觸界面不穩定，電荷重新分配，產生很多噪音。另一種是由于電極和皮膚之間的擠壓。由于皮膚及皮下組織存在皮膚電勢(WieSe，SCott R.，et al.〃Electrocard1graphic mot1n artifact versus electrode impedance ,B1medicalEngineering，IEEE Transact1ns on 52.1(2005): 136-139.)，也會形成電壓，疊加在原來的心電信號上，其幅度和心電信號處于同一個數量級，幅度大概為幾個毫伏。
[0004]現有的醫用濕電極直接在皮膚表面提取電生理信號，同時已有報道的微針式干電極盡管靠微針穿過角質層提取電生理信號，但其電極根部仍然和角質層接觸，這兩類電極都存在著耦合皮膚電勢信號的通路，因此無法避免皮膚電勢的干擾。為了克服電極在記錄動態心電信號時運動偽跡的影響，發明人設計了一種帶有硬質微針陣列的柔性干電極。柔性電極可以和皮膚更緊密的貼合在一起，不易與皮膚發生相對滑移。此外，這種帶有微針陣列的干電極只在針尖導電，其他與皮膚表面直接接觸的區域全都絕緣。當使用這種帶有微針的干電極在皮膚表面記錄心電信號時，微針陣列可以直接穿透阻抗較高的表皮角質層使得導電的針尖部位直接與阻抗較低的生發層接觸，而電極的其他部位均與皮膚絕緣。當電極與皮膚之間發生垂直方向的擠壓時，由皮膚及皮下組織產生的皮膚電勢不會被電極記錄，因此不會疊加在正常的心電信號上，從而克服了傳統濕電極或干電極與皮膚表面直接接觸的缺點，避免了運動偽跡的產生，使得在大幅度運動情況下記錄心電信號成為可能。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的在于提供一種可用于動態心電測量的柔性心電電極及制作方法，以解決現有心電電極在人體運動狀態下記錄心電時會受到運動偽跡的干擾，從而導致心電記錄被嚴重干擾，既而影響醫生診斷的問題。在動態心電監測中，人體如果存在大幅度的運動，一方面電極與皮膚之間會發生相對滑移，影響心電記錄;另一方面由于擠壓會在皮膚及皮下組織產生皮膚電勢而形成電壓，此電壓被與皮膚表面接觸的電極記錄后，會疊加在原來的心電信號上，干擾心電的記錄。本發明的目的在于解決上述現有技術的問題點。
[0006]發明人等發現通過以下設計能夠解決上述課題:
[0007]—種可用于動態心電測量的柔性心電電極，包括柔性襯底、硬質微針陣列、導電層和絕緣層，所述硬質微針陣列直接鍵合在柔性襯底上，所述導電層設于所述柔性襯底和硬質微針陣列上，所述絕緣層設于導電層上，所述柔性襯底的材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述硬質微針陣列的材料為硅，所述導電層的材料為鈦/金，所述絕緣層的材料為聚對二甲苯(ParyIene)。
[0008]上述電極被Parylene絕緣層包裹，只有微針陣列針尖區域和電極背面部分區域暴露出導電層。只有刺入到皮膚內部生發層的微針尖端可以記錄到心電信號，與皮膚表面直接接觸的電極由于被Parylene絕緣層包裹不會記錄到任何信號，從而避免了人體大幅度運動時電極與皮膚表面發生垂直方向的擠壓運動時產生的皮膚電勢對心電信號的干擾。
[0009]本發明提供的鍵合在柔性襯底上的硬質微針陣列的制備方法，該方法通過劃片、濕法腐蝕、鍵合的工藝，形成直接鍵合在柔性襯底上的硬質微針陣列。
[0010]如上所述的鍵合在柔性襯底上的硬質微針陣列的制備方法，其具體制作步驟是:[0011 ] I)通過劃片工藝在硅片上制作硅方柱陣列；
[0012]2)通過濕法腐蝕將硅方柱陣列腐蝕成硅微針陣列；
[0013]3)通過鍵合技術將微針陣列背面硅鍵合在柔性PDMS襯底表面；
[0014]4)通過再次劃片將微針與微針之間的硅片全部劃掉，形成直接鍵合在柔性PDMS襯底層上的硅微針陣列。
[0015]如上所述的柔性PDMS襯底，其中所述柔性PDMS襯底的厚度為10微米到500微米之間。
[0016]如上所述的Pary Iene絕緣層，其中所述Pary Iene絕緣層的厚度為I微米到10微米之間。
[0017]如上所述的Parylene絕緣層，其中通過掩膜保護、干法刻蝕的工藝使得微針陣列針尖區域處的Parylene絕緣層被刻蝕掉，從而暴露出導電層。
[0018]如上所述的在微針陣列針尖區域暴露出導電層的Parylene絕緣層(4)的制備方法，其具體制作步驟是:
[0019]I)在電極正面旋涂一層聚酰亞胺保護住微針根部，暴露出針尖；
[0020]2)通過氧等離子體刻蝕將針尖部位的Pary Iene絕緣層干刻掉，暴露出針尖部位的導電層；
[0021]3)通過顯影液將聚酰亞胺保護層去除。
[0022]本發明的有益效果是:
[0023]本發明所述的柔性心電電極的柔性襯底，質地柔軟，可以更緊密的貼合皮膚，增加了皮膚與心電電極之間的接觸面積，心電信號增強，信噪比增加。同時，硬質微針陣列可以直接穿透高阻抗的角質層到達低阻抗的生發層，進一步降低了電極皮膚之間的接觸阻抗，提高了心電的記錄能力。最重要的，所述的柔性心電電極只有微針針尖部位和電極背面部分區域暴露出導電層，其余部位均被絕緣層包裹。因此，只有在皮膚內部生發層的微針尖端可以記錄到心電信號，與皮膚表面直接接觸的電極由于被絕緣層包裹不會記錄到任何信號，從而避免了人體大幅度運動時電極與皮膚表面發生垂直方向的擠壓運動時產生的皮膚電勢對心電信號的干擾，所述柔性心電電極記錄心電能力的穩定性得到大幅度的提升。本發明對于患者以及戰場中士兵心電的動態監測具有重要的意義。
【附圖說明】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施案例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0025]圖1表示本發明的電極的結構示意圖；