生物电信号采集与电刺激装置的制作方法

本发明涉及可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种生物电信号采集与电刺激装置。

背景技术：

体表生物电信号能够反映生物的多种生理、心理和病理信息，因此体表生物电信号的采集具有重要的临床意义。在体表对生物体实施电刺激，能够实现神经功能调控和模拟触觉等医学及人机交互场景。非植入式体表电极以其安全、便捷的特性，是绝大多数临床和研究场景的最佳选择。以脑电波(eeg)为代表的体表电生理信号通常幅度较微弱，因此电极-皮肤间需维持较低的接触阻抗以获得较高的信噪比。

目前，广泛采用的体表电极为湿电极，湿电极借助金属电极和皮肤之间涂抹的导电胶层来实现低阻抗接触，然而随着脑机接口技术的进步，对生物电信号采集与电刺激的空间分辨率提出了越来越高的要求，需要使用高密度系统来实现生物电信号采集与电刺激，如果在高密度系统使用湿电极，就需要给大量电极重复添加导电胶，工作效率较低，且导电胶在距离接近的电极之间容易发生短路，导致识别不准确。

技术实现要素：

本发明提供一种生物电信号采集与电刺激装置，用以解决现有技术中在高密度系统使用湿电极，就需要给大量电极重复添加导电胶，工作效率较低，且导电胶在距离接近的电极之间容易发生短路，导致识别不准确的缺陷，实现在多个点位实现对目标的生物电信号采集与电刺激，适于高密度体表电信号采集与电刺激，能够提高采集与电刺激的效率和准确率。

本发明提供一种生物电信号采集与电刺激装置，所述生物电信号采集与电刺激装置包括：衬底，所述衬底具有用于贴合于目标的工作侧面；多个探头，多个所述探头均设于所述衬底，且在所述工作侧面上阵列排布；多个导电引线，多个所述导电引线与多个所述探头一一对应电连接；输入/输出端口，多个所述导电引线均与所述输入/输出端口电连接。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述探头包括：多个微针，多个所述微针均与所述导电引线电连接。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，多个所述微针均与所述衬底连接。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，多个所述微针呈圆形阵列排布、方形阵列排布或者椭圆形阵列排布。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述探头还包括：基座，所述基座安装于所述衬底，所述微针设于所述基座，所述微针通过所述基座与所述导电引线电连接。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述生物电信号采集与电刺激装置还包括：绝缘层，所述绝缘层包覆于所述工作侧面，所述探头从所述绝缘层向外伸出。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述微针的长度为100μm-1000μm；或者，所述微针的直径为50μm-300μm；或者，相邻的所述微针之间的距离为100μm-1000μm。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述生物电信号采集与电刺激装置还包括：纽带，所述纽带与所述衬底连接，所述纽带与所述输入/输出端口连接，所述导电引线设于所述纽带，并从所述纽带延伸至与所述输入/输出端口电连接。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述衬底的厚度为10μm-500μm；或者，相邻的所述探头之间距离为1mm-10mm。

根据本发明提供的一种生物电信号采集与电刺激装置，所述衬底为柔性衬底。

本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置，通过在衬底上设置多个探头，并通过多个导电引线将探头的电信号引出，能够在多个点位实现对目标的生物电信号采集与电刺激，适于高密度体表电信号采集与电刺激，能够提高采集与电刺激效率和准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的局部结构示意图之一；

图3是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的侧面剖视图之一；

图4是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的局部结构示意图之二；

图5是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的侧面剖视图之二；

图6是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的结构示意图之二；

图7是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的结构示意图之三；

图8是本发明提供的生物电信号采集与电刺激装置的结构示意图之四。

附图标记：

10：衬底；11：工作侧面；20：探头；

21：微针；22：基座；30：导电引线；

40：输入/输出端口；50：绝缘层；60：纽带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图8描述本发明的生物电信号采集与电刺激装置。

如图1所示，本发明实施例提供一种生物电信号采集与电刺激装置，所述生物电信号采集与电刺激装置包括：衬底10、多个探头20、多个导电引线30以及输入/输出端口40。

其中，衬底10具有用于贴合于目标的工作侧面11。

可以理解的是，衬底10可以为片状结构，能够和目标贴合，目标可以为各种生物体，比如人体，还可以是其他动物体，比如某些家畜或者宠物，可以监测这些生物体的体表电信号来辅助判断健康状况，生物体表电信号能够反映多种生理、心理和病理信息，具有重要的临床意义。也可以在体表对目标生物体实施电刺激，能够实现神经功能调控和模拟触觉等医学及人机交互场景。

比如可以将衬底10贴合于人体的头部皮肤，用于监测脑电波或对脑区实施电刺激，可以用于人机交互。

衬底10可以为柔性材料制成。采用柔性材料的衬底10，能够适应目标的皮肤表面的形状，能够良好地贴附于几乎任何皮肤表面，且减小给目标造成的不适感。

衬底10的厚度可以为10μm-500μm，比如200μm。

衬底10具有工作侧面11，工作侧面11与目标接触，工作侧面11可以具有黏性，实现检测过程中的稳定粘接固定，且保证衬底10的柔性。

多个探头20均设于衬底10，且在工作侧面11上阵列排布。

可以理解的是，探头20安装在衬底10的工作侧面11，当工作侧面11粘合于目标时，探头20能够和目标接触，能够穿透高阻抗的角质层，在没有导电胶的情况下，能提供低阻抗和稳定的电学接触，且由于没有导电膏，使用者可以长期佩戴，提高各种应用场合的适用性。

多个探头20在工作侧面11上呈现阵列排布，比如6×6的方形矩阵，或者8×8的方形矩阵，还可以是其他类型的阵列排布方式，多个导电引线30与多个探头20一一对应电连接，也就是每一个探头20都有一个导电引线30将识别到的电信号导出，这样就能够读取到目标的多个位置的电信号，或对目标的多个位置分别施加电刺激，能够适用于高密度采集与电刺激系统，能够提高对生物电信号采集与电刺激的空间分辨率。

多个导电引线30均与输入/输出端口40电连接，多个导电引线30将对应探头20的电信号导出到输入/输出端口40，输入/输出端口40可以和外部设备电连接，输入/输出端口40传输的是多路电信号，将不同探头20识别到的电信号输出给外部设备，或接收外部设备输入的多路电信号。这样就能够使得外部设备能够识别到目标的不同位置的电信号，能够通过不同位置的电信号来识别出相应的生理信息，或将电刺激输入到不同位置。比如可以根据头部不同位置的电信号来识别不同意义的脑电波。

相邻的探头20之间距离可以为1mm-10mm，比如可以为5mm，相邻的探头20之间的距离比较小，就能够进一步提高对目标位置电信号采集与电刺激的空间分辨率。

目前，受到广泛使用的体表电极主要为湿电极，借助金属电极与皮肤之间涂抹的导电胶层来实现可靠、低阻的接触。随着近年来脑-机接口技术的进步，对生物体表电信号(尤其是脑电和肌电信号)采集和电刺激的空间分辨率提出了越来越高的要求，以期从更多通道的信号中解码出更精密的指令或意图。

湿电极中所使用的导电胶在长时间使用中性能会逐渐退化而丧失导电性，对于高密度系统而言，在使用过程中多次为大量电极重复添加导电胶是不切实际的。同时，高密度采集与电刺激电极具有毫米级的空间分辨率，导电胶在过于接近的电极间易发生“桥接”短路。

发明人在研究中发现，可靠的高密度体表电信号采集与电刺激系统的更优解决方案是使用干电极，即金属电极不通过导电胶而直接与皮肤接触。在当前的消费级体表电信号采集设备中，通常只采用刚性的平面电极，与皮肤接触性能较差而严重影响信号质量。为了提升干电极的性能，可以使用基于柔性、可拉伸或多孔材料的新型干电极，以增强电极和皮肤的贴合性并尽可能增大接触面积，但这类电极过大的面积阻碍了其向更高密度发展，且阻抗特性较湿电极并无显著优势。

采用探头20阵列将对便捷、稳定以及高性能的高密度体表电信号采集与电刺激具有不菲的意义，能够显著提高系统的信号质量、空间分辨率和穿戴舒适度。

本发明实施例提供的生物电信号采集与电刺激装置，通过在衬底10上设置多个探头20，并通过多个导电引线30将探头20的电信号引出，能够在多个点位实现对目标的生物电信号采集与电刺激，适于高密度体表电信号采集与电刺激，能够提高采集与电刺激的效率和准确率。

如图2、图3、图4和图5所示，在一些实施例中，探头20包括：多个微针21，多个微针21均与导电引线30电连接。

可以理解的是，每个探头20上可以具有多个微针21，使用时，微针21和目标的皮肤接触，能够检测目标的电信号或向目标施加电刺激。

微针21具有良好的导电性，可以采用金属材料制成，比如可以为钛、镍、金、铂或者不锈钢等和生物相容性较好的金属材料，也可以采用表面镀有金属材料的绝缘基材制成，具有良好的力学性能。

电极－皮肤接触阻抗是影响生物电信号采集与电刺激的关键因素，高电极－皮肤阻抗会造成电信号衰减，换言之，低电极－皮肤阻抗是获得高质量电信号的必要前提。

在传统生物电信号的研究系统中，利用湿电极或传统干电极采集信号存在一定的局限性。湿电极使用前需要皮肤准备和使用导电胶，皮肤准备耗时、不方便，导电胶的使用易刺激皮肤，引起过敏。而一些传统干电极阻抗较高，需配备现场高阻抗放大器。另外一些传统干电极尤其是刚性电极，不能完全贴合粗糙的皮肤表面，与皮肤接触较差。因此，传统干电极的电极-皮肤阻抗较高，监测到的生物电信号不够准确，传输的电刺激信号不够稳定。

微针21的长度为100μm-1000μm，比如可以为500μm。

为了保证微针21能够顺利穿透角质层，而且不引起出血和严重的疼痛，微针21的长度设置尤为关键，根据皮肤结构，理论上微针21长度为100μm-1000μm较为合适，在保证顺利传输电信号的同时，避免皮肤上出现出血点，避免造成严重刺痛感。

微针21可不使用导电胶或打磨皮肤，采用微针2122可以直接穿过高阻抗特性的角质层，刺入导电表皮层，降低电极和皮肤的阻抗，且微针21的尺寸较小，微针21的直径可以为50μm-300μm，比如200μm，相邻的微针21之间的距离可以为100μm-1000μm，比如500μm，使用时所需的皮肤表面积小，给使用者带来的医疗损伤较小。

在一些实施例中，微针21为多个，多个微针21可以呈阵列排布，如图1、图6、图7和图8所示，多个微针21可以呈圆形阵列排布、方形阵列排布或者椭圆形阵列排布。通过设置多个呈现阵列排布的微针21，能够增加微针与导电表皮层的接触面积，且避免单个微针21发生故障或者误差，提高灵敏度。

当多个微针21为方形阵列排布时，方形阵列的边长可以为1mm-10mm，比如可以为5mm。

如图4和图5所示，在一些实施例中，每个探头20都具有多个微针21，多个微针21均与衬底10连接，可以理解的是，将微针21直接制作在衬底10上，由导电引线30和多个微针21之间电连接，比如导电引线30的接入段可以镶嵌于衬底10的工作侧面11，多个微针21与接入段电连接。

如图2和图3所示，在一些实施例中，探头20还包括：基座22。

基座22安装于衬底10，微针21设于基座22，微针21通过基座22与导电引线30电连接。

可以理解的是，基座22安装在衬底10上，基座22可以为导电材料制成，基座22可以为整体上都导电，多个微针21设于基座22上，则多个微针21获取到的电信号都汇聚到基座22上，整个基座22传递的电信号是一个整体，通过设置单独的基座22，能够便于对衬底10和探头20进行单独加工，能够提高零件加工成型的效率，且方便在探头20出现故障时更换探头20。

如图3和图5所示，在一些实施例中，生物电信号采集与电刺激装置还包括：绝缘层50。

绝缘层50包覆于工作侧面11，探头20从绝缘层50向外伸出。

可以理解的是，绝缘层50包覆于工作侧面11，只留出多个开孔，使得探头20能够从开孔中向外伸出，导电引线30设于绝缘层50和衬底10之间，这样就能够避免导电引线30和皮肤直接接触而造成误采集或误刺激。

如图7和图8所示，在一些实施例中，生物电信号采集与电刺激装置还包括：纽带60。

纽带60与衬底10连接，纽带60与输入/输出端口40连接，导电引线30设于纽带60，并从纽带60延伸至与输入/输出端口40电连接。

可以理解的是，纽带60可以为长条形，输出接口通过纽带60和衬底10连接，导电引线30设于纽带60，比如可以嵌入到纽带60内部，也可以在纽带60上形成排线，通过纽带60，探头20可以和远处的输入/输出端口40连接，这样就能够使得在进行电信号监测与电刺激的时候，目标生物体的活动受到的影响较小。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。