高靈敏醫用微針陣列電極的製作方法
2023-10-09 21:41:34
專利名稱：高靈敏醫用微針陣列電極的製作方法
技術領域：
本專利涉及醫療器械及醫藥領域，具體涉及高靈敏、低噪音的醫用電極和電極片領域。
背景技術：
通過與生物體的接觸耦合，將生物體內的電位和生物電流有效地導出的敏感元件稱為檢測電極(Detecting electrode)。具體可分為生產理療自粘電極,理療電極片,無紡布電極片，粘膠電極片，耳夾電極線，醫療導線，電極片導線，治療儀導線，中低頻治療儀輸出導線，按摩電極等等，總體可以概括為醫用電極。在醫療設備廣泛發展和提高的當今時代，醫用電極為醫生和患者提供了物質和信號的傳輸通道和採集通道，架起了患者和醫療設備的橋梁，在醫療、醫學檢測及醫學成像等 領域有著極其廣泛的應用。目前生物電極主要採集生物電的信號。而生物電測量的難點①生物電信號弱，心電信號只有0. 5 4mv (皮膚電極)、腦電信號則只有5 300ii v (頭皮電極)。②信號源阻抗高，生物體與電極間的界面現象複雜。極化、漂移、噪聲和幹擾等不穩定因素不易控制。如何解決這些難點是目前生物電的測量、也是醫學電極研究領域的核心內容，特別是如何提高信號靈敏度、提高信噪比及拓展其應用範圍。生物和解剖學研究表明，皮膚由表皮和真皮兩大部分組成。表面主要由角質層和死亡表皮細胞組成，其作用是防止人體不受外界有毒害物質和環境等因素的侵襲和損傷，是人體的天然保護層。與此同時，由於這種保護層的存在，致使提取人體電信號或向患者體內輸入藥物、營養物質及電信號等變得尤為困難。要獲得生物電信號或向體內輸入物質、信號等刺激因素就不得不突破這種保護層的限制。表皮的高阻抗性質嚴重影響了生物電信號的採集。傳統的溼法生物電極系統是在皮膚塗抹一層含氯離子的導電劑，提高電極與皮膚的接觸，降低接觸電阻，提高信號的傳輸能力。研究表明這種方法中僅有極其少量的導電離子能夠滲入表皮，起到降低皮膚表皮的阻抗作用。另一方面，離子滲入皮下過多也會帶來一些諸如過敏、破壞皮膚免疫力等負面作用，使得這種方法無法長期使用，更不能實現實時監測，因此，這種方法對提高生物電的檢測精度和靈敏度有很大的局限性。普遍採用這種方法的醫學檢測有心電圖掃描、腦電掃描、B超、彩超等常用檢測方法。目前，人們正致力於逐步改善檢測過程中操作和導電劑組分，來提高檢測的靈敏度，降低負面作用。除傳統的溼法電極以外，乾式電極用於生物電信號的採集也取得了不錯的效果。上海交大的陳迪等人發明專利「基於柔性襯底MEMS技術的腦電圖乾電極陣列及其製備方法」(201010284607.9)介紹了這種電極的構築方法，一定程度上解決了導電膏的應用的問題。刺入式電極，有效的解決了皮膚的高阻抗問題，如美國的J 卡特等發表專利「經皮電極陣列」(200480022905. 3)研究了如何將生物電輸入到體內進行治療的可能性，並未解決實際實施過程中的問題。相關。J 斯科恩博格發表專利「電極陣列」(200880002662. 5)解決了電極與外部連接的問題，但結構過於複雜，難以形成高敏度的電極陣列及相關產業化。上海交大的陳迪、劉景全等人利用微機電加工技術實現了相對較高密度的電極陣列，發表專利「基於襯底圖形化的柔性襯底生物微電極陣列製備方法」(200910309599. 6)。但其操作過程相對有些複雜，成本高，產業化前景不樂觀。西安交大的景蔚宣發表專利「一種超微錐電極陣列及其製備方法」(201010013597. 5)在此方面也做了很大的貢獻，所用材質為矽及二氧化矽材質，其應用範圍受到一定限制。中科院半導體研究所的裴為華等人發明專利「長期記錄生理喜好的侵入式斜針無痛皮膚乾電極器件」(200910242338. 7)利用斜針增加電極與皮膚的接觸面積，降低接觸阻抗，提高生物電信號的採集治療。提出了可以用微針做為醫用電極的方法，但並未提及如何與宏觀儀器連接問題。此外，微針排列的不規則性儘管提高的接觸面積，但帶來了一系列的問題1、只有部分微針起到採集生物電信號的作用，並不是所有微針都可以和體液接觸來獲取生物電信號；2、傾斜的微針不可避免的帶來傷口的加大，感染的可能性也會加大；3、長期刺入皮膚會帶來皮膚的過敏發應，身體的排異作用會促使白細胞大量的富集到微針表面，影響信號採集的準確性。醫用微針電極的核心是信號提取或輸送的過程，如何提高其靈敏度、信號的質量 是醫學技術的焦點所在。本發明，在這個領域做了一定的工作。
發明內容
本發明在微針的基礎上引入電極系統，形成以微針為基礎醫用電極及其陣列。利用微針為透皮手段，解決皮膚的高阻抗的問題，有效提高了生物電信號的輸入和採集，解決了常規電極產品在實際應用中的靈敏度低、信號差的弊端，提高檢測、監測、成像及治療的效果。不僅如此，由於本發明是以微針為基礎的，可以實現透皮輸藥和醫用電極的雙重功效，兩者做到相輔相成，醫生和患者可以根據實際需要單獨選擇一種功能或多個功能使用。本發明闡述了一類高靈敏度微針陣列電極系統是微針與電極的一體化產品，可實現輸藥和電極的雙重功能，其至少包含微針和電極系統兩個主要部分。微針刺入皮膚後，電極可以高靈敏度地採集體液及體表的中的電流、電壓、電感、電量、電阻及溫度等信息通過外接電路傳遞給信息記錄處理系統，進行疾病診斷；也可以從信息處理系統得到指令，對體內輸入藥物、營養物質、電流、電壓、力、熱、磁、紅外、微波、超聲波等物質和手段刺激進行保健和疾病治療。該類產品可以根據患者等相關人群實際需要，通過程序設計、設定，對其進行身體指標實時監測、檢測，也可以根據需要採集信號和輸入信號刺激進行治療。本專利產品可用於光療、電療、針灸、心電、腦電、B超、彩超及超聲波治療等應用領域。本發明闡述的微針陣列電極系統，其具體構造是由刺激電極、信號電極組成主體，同時附加參比電極和絕緣部件組成。值得說明的是，有些情況不一定需要全套的刺激、信號和參比電極部件，只要其中的一個或兩個部件就可以完成相關操作，也屬本專利的保護範疇。所述電極及相關部件可以是微針本身結構，也可以是微針修飾層或附加結構部件。信號採集或者輸入刺激信號及物質的過程是直接破皮後進行，無需額外塗抹導電介質，但在必要或特殊情況下時可以附加額外的藥物及支持物質，提高信號質量。刺激電極與信號電極的組合方式，可以是複合或集成不可拆的分的，也可以是分立可拆分的。無論採用何種組合方式，都可根據實際需要，對相關電極及輔助部件進行更換。微針陣列電極的基底和相關電極間的連接可以是剛性的，也可以是柔性的。刺激電極與信號電極的排列方式，可以根據需要選擇左右式、上下式和層層式中的一種或幾種方式進行。在使用過程中，本發明所構築的微針陣列電極系統既可以是一次性使用，也可以對相關部件的更換，消毒，實現微針電極系統的多次反覆使用。本發明所述的微針陣列電極系統其高靈敏度的特徵是通過調節微針間距和長度來實現的。間距調節可通過微針陣列的加工及設計實現，也可以通過對柔性基底的微針陣列進行拉伸或壓縮進行微針電極間距的調節。長度可通過微針陣列的加工及設計實現。在同一電極上，其間距及長度等因素，可以是相同的，也可以是不同的，還可以是多種形狀微針的複合體。本發明提供微針陣列電極系統的構築方法。其基本步驟是I、對微針進行必要的修飾，這類修飾起到兩個作用a、生物相容性，降低微針表面對皮膚的刺激及毒性；b、導電性修飾，賦予微針輸送或導出相關信號的能力。
2、在微針上，利用物理和化學方法，構築出相應的刺激電極、信號電極及參比電極，形成微針陣列電極。微針陣列電極間的連接是剛性的，也可以是柔性的，可以通過微加工的方式或者對相關部件拉伸或壓縮實現微針的間距和長度的調控，實現電極的不同用途和靈敏度的控制和提高。3、在相關電極上，構築電極連接點，使電極可以方便快捷地連接到外接儀器上。本發明所製作的微針陣列電極系統，不僅每個局部區域具有相應的刺激、信號及參比電極。這些電極可以採集和輸入局部信號，也可以將所採集的信號進行採集、集成和信號後期加工、甚至可以進行局部成像等領域中得到應用。由於結構(長短、間距、排列方式等)不同，其靈敏度可以進行調節，可以實現高靈敏的檢測和監測，並且可以將其應用到不同的領域中(如光療、電療、針灸、心電、腦電、B超、彩超及超聲波治療等)。本發明不僅可以採用傳統的實心微針構築，也可以採用空心微針進行相關的電極構築，這也是本發明的亮點。由於空心的存在，所構築的微針電極系統可以兼起向皮下輸送物質的目的。輸送的藥物可以是有助於疾病的治療的藥物或營養物質，也可以是有助於信號靈敏度提高的傳導介質。
圖I、左右式空心微針陣列電極的截面結構圖；其中，101為刺激電極的微針主體；102為刺激電極的微針外接修飾部分；103為信號電極的微針主體；104為信號電極的微針外接修飾部分；105為參比電極的微針主體；106為參比電極的微針外接修飾部分；107電極的外接部分；108為微針表面修飾部分；109為微針電極的絕緣連結部分。圖2、左右式空心微針陣列電極系統的俯視圖；其中各數字的示意同圖I所述，此外110為預處理的切割線或切割孔，可輕易地手動將電極陣列分成所需大小。圖3、上下式空心微針陣列電極的截面結構圖；其中各數字的示意同圖I所述。圖4、上下式空心微針陣列電極的俯視圖；其中各數字的示意同圖I和2所述。圖5、層層式空心微針陣列電極的截面結構圖；201為微針的主體部分；202為微針表面修飾部分；203為絕緣隔離層；204刺激電極修飾層；203為信號電極修飾層；206為參比電極修飾層。圖6、層層式空心微針陣列電極的俯視圖；其中各數字的示意同圖5所述，此外207為預處理的切割線或切割孔，可輕易地手動將電極陣列分成所需大小。
具體實施例方式本發明是一種利用微針作為電極材料的載體，形成微針陣列電極體系設計及構築方法。所形成微針電極陣列系統至少包含微針體系、電極體系、絕緣部分和其他輔助部分。微針體系是作為本電極陣列系統的核心，具有破皮作用，降低皮膚的阻抗，提高電極靈敏度的作用。電極部分、絕緣部分和其他輔助部分作為本發明的重要組分。它們之間複合形成相應的微針的產品，可以存在多種複合和實施方式，我們將結合附圖對主要的方式進行講解，力求所有讀者能夠對本專利及實施方式有更深入的了解，但本發明並不局限於此。其他任何基於本專利的設計、原理、方法及手段所製成的電極陣列產品都屬於本專利的保護範疇。針對用途和靈敏度的要求，微針的組合形式也有多種形式，其中主要包括左右式、上下式和層層式的微針陣列電極體系。左右式是指刺激、信號和參比的電極模塊是以左右順序的方式排列的微針電極陣列系統，其基本結構如圖I和圖2所示，其主要特色是刺激電極、信號電極和參比電極部件可以任意組合，醫生和患者使用方便，應用範圍廣。上下式是指刺激、信號和參比的電極模塊是以上下順序的方式排列的微針電極陣列系統，其基本結 構如圖3和圖4所示，由於是上下的排列方式，其刺激、信號及參比電極間距離較小，因此可以採集或輸入微小的電流信號，適用於高靈敏的檢測和測試領域。層層式是指刺激、信號和參比的電極模塊是以一層一層的方式排列的微針電極陣列系統，其基本結構如圖5和圖6所示，其特點是構築方便，可採用層層修飾的方式簡單構築出微針陣列電極，易於流水線作業。左右式微針陣列電極的實施方式是這樣的，如圖I所示，選取相應的微針材料，作為刺激電極101、信號電極103和參比電極105的主體，該部分材料可以是導電或非導電類材料，從結構上看可以為實心也可以是空心結構。為了保證能夠實現信號的輸入和輸出，首先對這些微針材料進行表面修飾，使微針表面附上一層生物相容性的材料108，同時，該部分可以根據實際情況，兼具備導電或絕緣性能。該材料可以是金屬材料、金屬氧化物、非金屬材料、聚合物材料、有機小分子、也可以是天然材料等。其典型的修飾方法有電化學、自組裝與自組織、噴塗、滴塗、浸塗、蒸鍍、塗抹等方式。此外，若微針材料已經本身具有相關特性，則此步驟可以省略掉。對於空心結構，其由於微針針尖內部有一定的空間，可以在微針內腔內，加入藥物、營養物質或導電劑等，進一步提高信號的傳輸能力或對疾病的治療效果。為了方便外接電極的引出，分別在刺激電極、信號電極和參比電極上引入外接修飾部分(102、104和106)，從而形成微針電極部件。形成局部的微針電極部件後，用絕緣材料109將各個電極部件進行連接形成微針陣列電極體系的主體。該絕緣部分為柔性材料，一方面有利於與體表充分接觸，另一方面可已通過拉伸或者壓縮，實現部件間間距的調節，來應對不同的需要和靈敏度的要求。微針部件主體完成後，引出電極外接部分107，是電極可以方便的接於儀器上。由於不同的需要，微針陣列電極的尺寸要求不同，因此，在組裝好的微針陣列電極上，適當處理上切割線或切割孔，如圖2中110所示，方便使用者根據實際需要，手動將電極分成需要的尺寸。電極的尺寸和大小可以自由組合，每一部分或整體都可以起到電極作用，不影響電極的性能，這是本專利的特色之一。上下式微針陣列電極的實施方式是這樣的，如圖3和4所示，微針的修飾和前處理過程與左右式微針陣列電極相同。在形成局部的微針電極部件後，不是採用絕緣材料連結的方式，而是採用上下壓合的方式，實現微針陣列電極系統，這種壓合方式也有兩種主要的形式，一是直接利用微針的尖端刺破支撐部分，形成複合體，這種模式要求微針材料是軟性的金屬或高分子材料，二是先在微針的支撐部分打孔，將不同的微針部件組合，這種模式即可以是軟性金屬或高分子材料，也可以是二氧化矽、氮化矽及玻璃等硬性材料。在需要的情況下，這兩種模式都可以在壓合的過程中加入密封劑、導電劑或粘合劑等，保證複合結構的導電性和信號靈敏性。這種複合微針陣列電極的刺激、信號和參比距離較近，可以採集或輸送微小信號，是這種複合模式的特色。與上下式和左右式相比，層層式微針陣 列電極的主要特色是操作步驟簡單，不需要過多的修飾和複合便可形成微針陣列電極，其具體實施方式
是這樣的，如圖4和5所示，選取相應的微針材料201，首先，對這些微針材料進行表面修飾，使微針表面附上一層生物相容性及導電的材料202，其次，在微針背部電極上引入導電塗層206，這部分講充當參比電極的外接線路的部件，然後修飾絕緣層203，這部分修飾不完全修飾，而是保留一部分不修飾，不修飾的部分是成品的參比電極部分。同樣的方式在203的表面修飾一層生物相容性及導電的材料204，構成信號電極部分，交替修飾絕緣層203和生物相容性及導電層205構築出刺激電極部分。每次修飾可控地不完全修飾，保留相應的導電部分作為微針的電極部分。不修飾部分的大小可以調整相應的刺激、信號和參比電極部分的面積大小，通過面積的可控條件，實現微針電極的高靈敏性。可以方便的形成工業的流水線作業，便於大面積的生產，這是這種方式的最大特色。下面，我們將結合幾個典型的具體實例詳細說明高靈敏醫用微針陣列電極的具體實施過程，但本發明的保護範圍並不局限於這些實例。實施例I左右式腦電圖的高靈敏微針陣列電極構築整體微針陣列電極構築採用左右式進行構築，如圖I和2所示。首先，在101、103和105三種微針的材料選取金屬微針，利用氣相自組裝的方式，修飾一層十二烷基硫醇102，同時摻雜少量的十二烷基鈉。這些烷基起到了提高微針表面的生物相容性的作用，同時提高了表面的導電能力，降低薄膜的電阻。為了方便外部儀器接入，在三種微針材料背側濺射一層金膜，降低歐姆接觸電阻，提高外部儀器的信號靈敏度。用聚二甲基矽氧烷的聚合物材料109進行粘結，形成微針陣列電極系統主體。為了方便外接儀器，在微針背側製作接線條107。在微針陣列上加工剪切線或剪切孔110，方便手動切割。使用過程中，只需按照需求，撕取相應的大小，直接貼到皮膚上，連上儀器便可進行腦電測量。實施例2上下式腦電圖的高靈敏微針陣列電極構築整體微針陣列電極構築採用上下式進行構築，如圖3和4所示。在實例I中在濺射一層金膜後，將101、103和105的微針電極部件,按照上下順利排列好,施加一定的力後，微針將刺破支撐結構，形成三種微針電極結構交錯的複合體。為防止在刺破過程中發生短路現在，可在刺破前浸沒與絕緣高分子溶液如聚乙烯等，聚乙烯即起到絕緣作用，也起到了潤滑作用。組後後，若微針電極尖端有聚乙烯殘留，可以將微針尖端浸沒於丙酮中除去。這樣就完成了相關電極體系的構築。使用過程中，只要按需裁剪相應的大小連接外部儀器，便可實現腦電的採集。必要條件下，要提高了療效，可在空心微針中輔助性地加入相應的導電物質或藥物，提高靈敏度。
實施例3層層式心電圖的高靈敏微針陣列電極構築整體微針陣列電極構築採用層層式進行構築，如圖5和6所示，選取金屬微針201，通過液相組裝的方式修飾一層聚乳酸的薄層202，其中摻雜乳酸氨類物質提高導電性，起到生物相容性及導電作用。之後整個體系浸沒於土倫試劑中，形成導電的銀塗層206，這部分講充當參比電極的外接線路的部件。然後將微針的一部分部分浸沒於聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的溶液中，修飾一層PMMA的絕緣層203，未塗上PMMA的部分形成了電極體系的參比電極部分。重複上述操作步驟，將信號電極和刺激電極的部分構築出來，形成整體的微針體系。從背面看(圖6)，整個電極體系呈階梯狀，也就是外接電極部分接線部分。按照設計構築出相應的剪裁線或剪裁孔，實現微針電極陣列面積的控制。在應用過程中，只需裁剪成合適的電極面積，貼於皮膚相應位置上，連接心電儀器，便可以實現心電圖的測量。實施例4層層式電療的微針陣列電極構築。由於電療過程中，不需要參比電極，只要形成刺激電極和信號電極構築迴路，便可實現電療的操作。因此，以層層式的構築方式實現，操作步驟與實例3類似，只是在導電部 分和絕緣部分的循環周期減少一個，便可以形成用於電療的微針陣列電極。剪裁到相應大小，貼於患處，連接上電療儀器，便可以實現電療。與普通的電療相比，本發明提供的微針電極可以直接刺激皮下，而沒有表皮的高阻抗的影響，有效了提高了電療的療效和治療周期。，另外，值得說明的是，本發明所述微針陣列電極，由於其不僅可以採用傳統的實心微針構築，也可以採用空心微針構築，具有靈敏度可以進行調節，實現高靈敏的檢測和監測的特性，可以在多個領域中進行應用，如光療、電療、針灸、心電、腦電、B超、彩超及超聲波治療等。與此同時，還可以兼起輸藥的作用，提高療效。本發明順應未來醫療的潮流，不僅提高了微針電極的靈敏度，而且還可以將電極和輸藥作用複合，具有廣泛的應用前景。
權利要求
1.一類高靈敏度的微針陣列電極系統，其特徵為該類產品是微針與電極的一體化產品，可實現輸藥和電極的雙重功能，其至少包含微針和電極系統兩個主要部分。微針刺入皮膚後，電極可以高靈敏度地採集體液及體表的中的電流、電壓、電感、電量、電阻及溫度等信息通過外接電路傳遞給信息記錄處理系統，進行疾病診斷；也可以從信息處理系統得到指令，對體內輸入藥物、營養物質、電流、電壓、力、熱、磁、紅外、微波、超聲波等物質和手段刺激進行保健和疾病治療。該類產品可以根據患者等相關人群實際需要，通過程序設計、設定，對其進行身體指標實時監測、檢測，也可以根據需要採集信號和輸入信號刺激進行治療。
2.如權利要求I所述的微針陣列電極系統其具體構造是由刺激電極、信號電極組成主體，同時附加參比電極和絕緣部件組成。所述電極及相關部件可以是微針本身結構，也可以是微針的修飾層或附加結構部件。
3.如權利要求I和2所述，刺激電極與信號電極的組合方式，可以是複合或者集成不可拆分的，也可以是分立可拆分的。無論採用何種組合方式，都可根據實際需要，對相關電極及輔助部件進行更換。微針陣列電極的基底和相關電極間的連接可以是剛性的，也可以是柔性的。刺激電極與信號電極的排列方式，可以根據需要選擇左右式、上下式和層層式中的一種或幾種方式進行。
4.如權利要求1、2和3所述，一類高靈敏度的微針陣列電極系統，既可以是一次性使用，也可以對相關部件的更換，消毒，實現微針電極系統的多次反覆使用。
5.如權利要求I所述的高靈敏度其特徵是利用調節微針間距和長度來實現的。
6.如權利要求5所述的間距調節其特徵是可通過微針陣列的加工及設計實現，也可以通過對柔性基底的微針陣列進行拉伸或壓縮進行微針電極間距的調節。長度可通過微針陣列的加工及設計實現。
7.如權利要求1、5和6所述的微針陣列電極系統，在同一電極上，其間距及長度等因素，可以是相同的，也可以是不同的，還可以是多種形狀微針的複合體。
全文摘要
本發明涉及一類高靈敏度的醫用微針陣列電極，是一種電極與微針的一體化的電極產品。利用微針刺入皮下，降低皮膚阻抗，實現幹法採集或輸入刺激信號或物質，具有高效、無痛等特點。本發明不僅可以提高信號採集的質量和速度，提高信噪比，還可以利用附加藥物和支持物質，提高信號的靈敏度，有助於提高相關過程療效，加速疾病治癒時間。該類產品可以根據患者等相關人群實際需要，通過程序設計、設定，對其進行身體指標長時間的實時監測、檢測，也可以根據需要間隔採集信號和輸入信號刺激進行治療。本發明產品可用於光療、電療、針灸及超聲波等治療領域。本發明闡述了這種高靈敏微針陣列電極的結構設計和實施的關鍵性技術，具有廣泛的應用前景。
文檔編號A61M37/00GK102755691SQ20121020126
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者吳寶山, 張曉安, 楊秉傑 申請人:吉林大學