【作者】：周偉, 劉偉, 邱清富, 劉瑞亮, 蔣樂倫, 宋嶸

【原文】：生物醫(yī)用電極制造技術(shù)及應(yīng)用研究進展

東莞市冠隆醫(yī)療科技有限公司（簡稱：冠隆醫(yī)療），是一家專業(yè)從事醫(yī)用心電電極配件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的科技企業(yè)。我們致力于生物電傳感技術(shù)的研究與應(yīng)用，提供醫(yī)用可穿戴式心電電極配件與解決方案。

1.1 傳統(tǒng)銀/氯化銀電極

傳統(tǒng)銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極是生物電檢測技術(shù)中廣泛使用的一種生物醫(yī)用電極. Ag/AgCl電極一般是由電極芯、Ag/AgCl層、導(dǎo)電凝膠、無紡布等部件組成,. 一般而言, Ag/AgCl層通常采用電鍍/電解等加工工藝形成, 生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜. 在小電流通過電極的條件下, 可以將其視為非極化電極. 在Ag/AgCl電極研究中, 目前大部分主要集中在Ag/AgCl層制造技術(shù)、導(dǎo)電凝膠制備方法、電極性能評估等方面研究工作 . 美 國 Conmed和 3M公司在Ag/AgCl電極的設(shè)計與制造方面處于全球領(lǐng)先的地位, 開發(fā)出的Ag/AgCl電極具有電性能較為穩(wěn)定、貼合方便、使用壽命較長等一系列優(yōu)點. 但是, 該電極在國內(nèi)銷售的價格較為昂貴, 且為一次性使用性電極. 在國內(nèi)研究方面, 中國船舶重工集團公司第七二五研究所利用熱浸涂發(fā)制備Ag/AgCl電極, 并對其電極表面的形貌和成分分析, 獲得最佳的電極結(jié)構(gòu), 使得電極具有良好的電位穩(wěn)定性[4]. 浙江大學(xué)許佩新課題組開發(fā)出一種醫(yī)用壓敏導(dǎo)電膠代替常用的導(dǎo)電糊或凝膠, 并應(yīng)用在Ag/AgCl電極, 該膠粘貼性好、對皮膚無刺激、不過敏、導(dǎo)電性能好, 而且不易干燥, 能長時間與皮膚保持良好接觸[5].目前, 在生物電信號檢測技術(shù)中, Ag/AgCl電極不僅能夠在較低電流條件下將離子電流轉(zhuǎn)換成電子電流, 且具有電信號基線穩(wěn)定、抗干擾能力強、制造與使用較為方便、價格便宜、易于生產(chǎn)等優(yōu)點, 在心電、腦電等測量中獲得非常廣泛的應(yīng)用. 但是, 由于導(dǎo)電凝膠的存在, Ag/AgCl電極在使用過程中容易發(fā)生脫水干燥, 使得導(dǎo)電凝膠的電特性發(fā)生某些變化,不能夠長期連續(xù)使用[6,7]. 正是由于導(dǎo)電凝膠的電阻抗不穩(wěn)定性, 在高精度實驗中容易引入較大的噪聲和誤差, 從而導(dǎo)致測量結(jié)果的不夠精確. 另外, 在使用Ag/AgCl電極之前, 必須要對皮膚進行有效處理,盡可能擦除皮膚表面的角質(zhì)層, 實驗前需要一定的準備時間. 更為嚴重的是, 導(dǎo)電凝膠還有可能會引起皮膚過敏反應(yīng), 產(chǎn)生紅腫等現(xiàn)象[8,9], 從而使得某些測量過程難以進行。

1.2 微針電極

微針技術(shù)一般是指通過微細制造方法在硅材料、金屬、聚合物和玻璃等材料表面制造形成的陣列式微針結(jié)構(gòu). 一般而言, 單個微針結(jié)構(gòu)的尺寸通常是直徑為30~80 ?m, 長度100 ?m以上[10]. 目前, 由于微針技術(shù)可以使得生物醫(yī)療器件更為微型、精確、無痛、可靠、高效、便利等, 并在性能上具有常規(guī)方法所無可比擬的特性, 在生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)、藥物傳輸系統(tǒng)、微量采樣分析系統(tǒng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)開展了系統(tǒng)性的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究[11,12]. 而微針電極是目前腦電采集技術(shù)中最普遍采用的干電極, 即采用針式電極直接穿透角質(zhì)層的方式, 以克服角質(zhì)層對腦電信號采集效果所帶來的影響[13]. 微針電極設(shè)計要考慮到皮膚的分層結(jié)構(gòu), 需要刺穿角質(zhì)層(厚度一般為10~15 ?m), 刺入導(dǎo)電表皮層(厚度一般為50~100 ?m), 以避開角質(zhì)層的高阻抗特性, 同時還不能刺到真皮層(包括神經(jīng)和血管)以避免對皮膚造成損傷, 從而導(dǎo)致疼痛和出血等現(xiàn)象. 因此, 微針刺入深度應(yīng)該大于10~15 ?m, 小于50~100 ?m, 使其在角質(zhì)層上產(chǎn)生一個無痛的電極-電解液界面, 并把活性細胞引起離子流轉(zhuǎn)化成電子電流[10]. 與傳統(tǒng)的Ag/AgCl生物電位電極比較, 微針電極往往不需要皮膚準備和電解凝膠, 使用較為方便可靠, 具有更小的阻抗,有較小的電化學(xué)噪聲, 更有利于長期測量使用.在微針電極研究方面, 研究工作當前主要集中是以硅基材料, 采用化學(xué)刻蝕工藝、反應(yīng)等離子刻蝕等加工形成微針結(jié)構(gòu), 電極-皮膚-電極阻抗測量和EEG記錄證明微針電極在不需要皮膚準備和電解凝膠的前提條件下, 使用起來非常方便, 并可以完成低生物電位的高質(zhì)量記錄, 獲得比標準電極更好的生物電采集性能[14,15]. 新加坡國立大學(xué)李小平課題組提出了一種利用真空鑄造技術(shù)來制造新型微針電極的方法, 并對其電極的表面結(jié)構(gòu)進行了微觀分析與表征其表面微針結(jié)構(gòu), 如圖2所示[16]. 制作的微針電極通過腦電采集實驗證實其在阻抗特性、穩(wěn)定性及采集效率方面表現(xiàn)出良好的性能. 比利時根特大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)微針電極的制造成形與批量加工, 通過與傳統(tǒng)的Ag/AgCl 電極進行心電和腦電信號的對比分析, 取得了較好的測試效果[17].廈門大學(xué)周偉課題組最近也提出利用納秒激光加工實現(xiàn)金屬電極表面微結(jié)構(gòu)陣列特征的高效加工, 并與傳統(tǒng)心電電極的接觸阻抗性能進行對比測試, 獲得較為穩(wěn)定的接觸阻抗性能[18]。

1.3 紡織柔性電極

紡織柔性電極是利用纖維、針織布等導(dǎo)電紡織材料來設(shè)計制作的一種新型柔性生物醫(yī)用干式電極,可以滿足長時間穿戴和測量舒適性的要求. 近年來,隨著患者對于醫(yī)療環(huán)境舒適性要求的不斷提高, 迫切需求紡織柔性電極與現(xiàn)有的醫(yī)療檢測器械進行完美結(jié)合, 從而使得多樣化和多功能的新穎紡織柔性電極不斷被開發(fā)與研究, 并已經(jīng)成功應(yīng)用在集成心電測量的襯衫[19]、可穿戴式多傳感心率監(jiān)測系統(tǒng)[20]、無接觸式肌電傳感器[21]等方面, 并取得了良好的測試與應(yīng)用效果. 但是, 在測試使用過程中, 紡織柔性電極與人體皮膚接觸時往往存在一定的空間和間隙,而這些空間和間隙里通常充滿著一定數(shù)量的空氣,這就相當于在電極與皮膚的接觸阻抗中間增加了一個電容[22]. 因此, 阻抗測試結(jié)果表明紡織柔性電極的總阻抗往往要比傳統(tǒng)電極和微針電極要大一些.如何設(shè)計新型電極結(jié)構(gòu)、固定紡織電極、消除人體表面濕度影響、降低電極總阻抗是當前紡織柔性電極亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題.在紡織柔性電極的研究工作方面, 當前主要是在新穎電極結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料在紡織電極的應(yīng)用、電極性能表征與評估等方面開展了一些初步的研究工作. 德 國Philips醫(yī)學(xué)信息技術(shù)中心的Beckmann等人[22]利用不同的測試步驟對于紡織電極與皮膚的接觸阻抗進行了測量, 系統(tǒng)研究了接觸壓力、濕度等因素對其性能的影響, 并對不同頻率范圍條件下的長期穩(wěn)定性進行了測試與表征. 意大利比薩大學(xué)Scilingo等人[23]利用水凝膠膜(pH在3.5~9之間)設(shè)計了一種新型的紡織柔性電極, 可以大大減少電極與皮膚的敏感性, 并通過與3M臨床醫(yī)用電極和標準表面EMG電極進行對比, 在考慮呼吸和運動行為的前提條件下,對電極的性能進行了系統(tǒng)評估. 瑞典布羅斯大學(xué)研究學(xué)者利用不同的紡織柔性電極的進行生物電阻抗的測量, 實驗結(jié)果表明將紡織電極在手部和腳部的測量應(yīng)用中可以獲得較為穩(wěn)定的電阻抗譜特征。

1.4 柔性襯底電極

柔性襯底電極由于可以實現(xiàn)與人體組織, 特別是與皮膚的高度貼合, 并可以滿足人體不同部位的穿戴要求, 應(yīng)用范圍非常廣泛, 已成為當生物醫(yī)用體表電極的重要研究方向. 目前, 可用于柔性襯底電極材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等[25,26]. 與PI和PET相比而言, PDMS柔性襯底材料由于具有更好的生物相容性、較低的楊氏模量, 并容易形成舒適的皮膚-電極界面的獨特優(yōu)勢, 成為生物醫(yī)用電極的柔性襯底的首選材料. 如Baek等人[9]通過在PDMS襯底材料表面沉積金屬層制造加工形成電極, 在長期連續(xù)(7天)的心電監(jiān)測過程中表現(xiàn)出較佳的性能特征. Chen等人[27]利用柔性襯底PDMS材料開發(fā)出一種采用單點接觸方式的可穿戴式、無線的生物電采集裝置, 并在心電信號的采集與利用取得較好的應(yīng)用效果. 最近,Jung等人[28]設(shè)計了1種包含有2個輸入電極和1個參考電極的基于PDMS襯底干式柔性表面肌電電極, 肌電信號測量結(jié)果表明該電極由于具有較好的精度和柔性結(jié)構(gòu), 易于提取出肌電信號實現(xiàn)假手運動的精確控制。

1.5 泡沫結(jié)構(gòu)電極

為了消除人體運動過程對于生物電信號采集的影響, 研究者最近還提出一種基于泡沫多孔材料設(shè)計與制造出新型的泡沫結(jié)構(gòu)軟性電極. 在腦電信號的測量過程中, 這種泡沫結(jié)構(gòu)電極還具有一個非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢, 可以避免皮膚上的毛發(fā)(尤其是頭發(fā))作用的影響, 并獲得穩(wěn)定的生理電信號與數(shù)據(jù).Gruetzmann等人[29]在生物醫(yī)用電極表面添加一層泡沫材料結(jié)構(gòu), 從而形成新型泡沫電極結(jié)構(gòu). 由于該泡沫結(jié)構(gòu)電極具有良好的彈性和緩沖性能, 可以顯著減少在運動過程中電極與皮膚的相對位移, 在心電測試結(jié)果表明其在減少運動干擾和減少電極與皮膚的接觸阻抗方面具有明顯優(yōu)勢. Lin等人[30]針對頭皮的位置，設(shè)計出一種適宜于長期腦電測量的泡沫結(jié)構(gòu)電極, 如圖5所示. 該電極結(jié)構(gòu)主要利用導(dǎo)電布覆蓋著可導(dǎo)電聚合物泡沫結(jié)構(gòu)所構(gòu)成, 在腦電測量使用過程中, 不需要皮膚制備和導(dǎo)電凝膠, 具有良好的幾何適應(yīng)性, 并可以應(yīng)用在不規(guī)則的頭皮表面, 在運動過程中還可以獲得較低的電極與皮膚的接觸阻抗1.6 絕緣干電極絕緣干電極與上述電極的工作原理都不一樣,絕緣干電極是利用很薄的絕緣膜把金屬電極與人體隔開, 在人體和金屬電極之間形成電容, 人體和電極片則分別為電容的2個極片, 中間的絕緣膜為電容器的中間介質(zhì), 生物電信號可以通過這一特殊的電容器耦合到緩沖放大器輸入端, 實現(xiàn)對生物電位變化的測量[31]. 由于絕緣干電極的電極片不與導(dǎo)電膏或其他電解質(zhì)接觸, 無需電流直接接觸人體, 從而避免了極化現(xiàn)象的發(fā)生. 但是, 由于耦合電容量級非常小, 需要超級大的輸入阻抗放大器以及相關(guān)的無偏、檢測和屏蔽技術(shù), 同時受這種電極的頻率響應(yīng)的限制，該電極用于提取生物電信號的使用范圍也將會受到限制. 近年來, 阿根廷科學(xué)家在綜述絕緣干電極的研究與發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上, 利用由標準雙層印制電路板所組成的絕緣干電極, 通過厚度為350 mm棉布對心電信號進行測量，與傳統(tǒng)的濕電極進行對比發(fā)現(xiàn), 該干電極與濕電極獲得的心電信號差別不大, 如圖6所示[2].目前, 絕緣干電極在航空航天、水下作業(yè)、生物醫(yī)學(xué)測量等領(lǐng)域的信號的檢測中獲得了廣泛的應(yīng)用。