[实用新型]头带式生物信号采集装置

说明书

本实用新型提供一种头带式生物信号采集装置。该装置包括：用于佩戴在受试者头部的头带，多个微针阵列电极，电极与信号采集设备接口，其中所述多个微针阵列电极固定在所述头带并以预定方式独立分布，每个微针阵列电极用于采集对应脑区的生物信号，所述电极与信号采集设备接口与所述多个微针阵列电极连接以将采集的生物信号输出至外部的信号采集设备进行处理。本实用新型提供的装置成本低廉、使用简单、携带方便、安全舒适并能够缩短实验时间。

技术领域

本实用新型涉及生物信号采集技术领域，尤其涉及一种头带式生物信号采集装置。

背景技术

脑电信号(electroencephalography，EEG)的监测，是目前各种生物医学领域中用于人体健康状况和疾病早期诊断的重要手段，EEG及其相关联的事件相关电位(event-related potential，ERP)的相关研究广泛应用于神经科学、认知科学、认知心理学、神经科学和心理生理学研究中。

EEG信号的采集必然需要电极，目前成熟的技术中使用的标准的EEG记录电极仍有其不足。例如，目前标准脑电帽的电极是银/氯化银(Ag/AgCl)电极，尺寸比较大，需要使用导电膏穿过头发，在电极与头皮之间形成导电界面，来降低电极与头皮界面阻抗(electrode-skin interface impedance，EII)，从而采集EEG信号。导电膏一方面会随着时间慢慢变干而增加EII，另一方面会对一些皮肤敏感的使用者造成伤害；打导电膏的过程繁琐，耗时长，信号采集完成后还需要清洁头皮和电极上的导电膏，而且会给受试者或者患者造成不适感，尤其对一些小孩，采集EEG信号更加困难。为了克服上述问题，2000年，英国皇家理工学院的Criss等人设计了一种微针电极阵列(MAE)并用于采集脑电信号(electroencephalography，EEG)。微针电极不需要导电凝胶，可以刺穿皮肤角质层到达导电性高的活性表皮，一方面降低电极与皮肤接触界面阻抗(EII)，另一方面与皮肤接触稳定不易受环境干扰；而且使用方便，前后都不需要复杂的准备和清洁过程，因此微针阵列电极有望克服传统电极存在的问题。

对于MAE的制作，经典的光刻和蚀刻技术需要在净室中使用精密的装备且容易产生有毒废料，不方便、昂贵且不环保；激光加工的方法效率高且灵活，但是使用纯铜材料生物兼容性有待考虑，对于高密度且微小尺寸的微针，激光聚焦可能达不到；3D打印技术虽灵活但同样不适合高密度且微小尺寸的微针；直至2016年，中山大学的蒋乐伦团队以聚对苯二甲酸乙醇脂膜(polyethylene terephthalate film，PET)为基底，使用磁牵引自组装的方法制作微针，该方法制作工艺简单、成本低廉，之后于2017年使用该电极分别采集静态和动态的EMG、ECG和EEG信号，并证明用微针电极采集到的信号质量优于普通的平板干电极。但是由于PET膜硬度太小，微针很难刺入柔软的皮肤，而硬度太大的基底会大大降低使用的舒适性，不适于可穿戴设备。此外，目前的技术只是简单的说明了可以用微针阵列电极来采集前额的EEG信号，对于被头发覆盖的头皮的EEG信号的采集目前仍然使用传统的Ag/AgCl脑电电极，而且电极的佩戴仍然需要使用胶布等来固定，这对于一些皮肤敏感的使用者仍然是个问题。

就电极而言，现有的Ag/AgCl湿电极因导电凝胶会受环境温度、湿度变化以及时间推移的影响，且不适用于皮肤敏感者，需要合适的干电极来代替。而微针阵列电极因其微针能穿透角质层到达阻抗较低的活性表皮来降低EII，并且微针电极的形状可以根据需要设计成可穿过头发缝隙的细长条形，穿过头皮与皮肤接触稳定，因此有望克服上述电极存在的困难。中山大学提出的磁牵引自组装技术制作MAE电极，工艺简单，且制作的电极可以采集眨眼时前额的EEG信号，但是由于前额本身不受头发的干扰，因此并没有解决电极与头皮接触的问题，而且仍然需要用胶带将电极固定在待测皮肤位置；而且使用PET膜作为电极的基底，微针不易刺入皮肤，实际使用起来比较困难；因此现有的MAE电极实际上还无法应用于正式的临床和实验室的EEG研究中。

发明内容