【作者】：周偉, 劉偉, 邱清富, 劉瑞亮, 蔣樂(lè)倫, 宋嶸

【原文】：生物醫(yī)用電極制造技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

東莞市冠隆醫(yī)療科技有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：冠隆醫(yī)療），是一家專(zhuān)業(yè)從事醫(yī)用心電電極配件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)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(cè)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(wú)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(guò)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(píng)估等方面研究工作 . 美 國(guó) Conmed和 3M公司在Ag/AgCl電極的設(shè)計(jì)與制造方面處于全球領(lǐng)先的地位, 開(kāi)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(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn). 但是, 該電極在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售的價(jià)格較為昂貴, 且為一次性使用性電極. 在國(guó)內(nèi)研究方面, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所利用熱浸涂發(fā)制備Ag/AgCl電極, 并對(duì)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(kāi)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(duì)皮膚無(wú)刺激、不過(guò)敏、導(dǎo)電性能好, 而且不易干燥, 能長(zhǎng)時(shí)間與皮膚保持良好接觸[5].目前, 在生物電信號(hào)檢測(cè)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(hào)基線穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、制造與使用較為方便、價(jià)格便宜、易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn), 在心電、腦電等測(cè)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(guò)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中容易引入較大的噪聲和誤差, 從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不夠精確. 另外, 在使用Ag/AgCl電極之前, 必須要對(duì)皮膚進(jìn)行有效處理,盡可能擦除皮膚表面的角質(zhì)層, 實(shí)驗(yàn)前需要一定的準(zhǔn)備時(shí)間. 更為嚴(yán)重的是, 導(dǎo)電凝膠還有可能會(huì)引起皮膚過(guò)敏反應(yīng), 產(chǎn)生紅腫等現(xiàn)象[8,9], 從而使得某些測(cè)量過(guò)程難以進(jìn)行。

1.2 微針電極

微針技術(shù)一般是指通過(guò)微細(xì)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(gè)微針結(jié)構(gòu)的尺寸通常是直徑為30~80 ?m, 長(zhǎng)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(wú)痛、可靠、高效、便利等, 并在性能上具有常規(guī)方法所無(wú)可比擬的特性, 在生物醫(yī)學(xué)測(cè)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(kāi)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(duì)腦電信號(hào)采集效果所帶來(lái)的影響[13]. 微針電極設(shè)計(jì)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(kāi)角質(zhì)層的高阻抗特性, 同時(shí)還不能刺到真皮層(包括神經(jīng)和血管)以避免對(duì)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(gè)無(wú)痛的電極-電解液界面, 并把活性細(xì)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(zhǔn)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(zhǎng)期測(cè)量使用.在微針電極研究方面, 研究工作當(dāng)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(cè)量和EEG記錄證明微針電極在不需要皮膚準(zhǔn)備和電解凝膠的前提條件下, 使用起來(lái)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(biāo)準(zhǔn)電極更好的生物電采集性能[14,15]. 新加坡國(guó)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(lái)制造新型微針電極的方法, 并對(duì)其電極的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)腦電采集實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(shí)根特大學(xué)的研究人員利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)微針電極的制造成形與批量加工, 通過(guò)與傳統(tǒng)的Ag/AgCl 電極進(jìn)行心電和腦電信號(hào)的對(duì)比分析, 取得了較好的測(cè)試效果[17].廈門(mén)大學(xué)周偉課題組最近也提出利用納秒激光加工實(shí)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(jìn)行對(duì)比測(cè)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(lái)設(shè)計(jì)制作的一種新型柔性生物醫(yī)用干式電極,可以滿足長(zhǎng)時(shí)間穿戴和測(cè)量舒適性的要求. 近年來(lái),隨著患者對(duì)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(cè)器械進(jìn)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(kāi)發(fā)與研究, 并已經(jīng)成功應(yīng)用在集成心電測(cè)量的襯衫[19]、可穿戴式多傳感心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[20]、無(wú)接觸式肌電傳感器[21]等方面, 并取得了良好的測(cè)試與應(yīng)用效果. 但是, 在測(cè)試使用過(guò)程中, 紡織柔性電極與人體皮膚接觸時(shí)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(dāng)于在電極與皮膚的接觸阻抗中間增加了一個(gè)電容[22]. 因此, 阻抗測(cè)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(jì)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(dāng)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(dāng)前主要是在新穎電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料在紡織電極的應(yīng)用、電極性能表征與評(píng)估等方面開(kāi)展了一些初步的研究工作. 德 國(guó)Philips醫(yī)學(xué)信息技術(shù)中心的Beckmann等人[22]利用不同的測(cè)試步驟對(duì)于紡織電極與皮膚的接觸阻抗進(jìn)行了測(cè)量, 系統(tǒng)研究了接觸壓力、濕度等因素對(duì)其性能的影響, 并對(duì)不同頻率范圍條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)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(jì)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(guò)與3M臨床醫(yī)用電極和標(biāo)準(zhǔn)表面EMG電極進(jìn)行對(duì)比, 在考慮呼吸和運(yùn)動(dòng)行為的前提條件下,對(duì)電極的性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)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(jìn)行生物電阻抗的測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將紡織電極在手部和腳部的測(cè)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(shí)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(dāng)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(duì)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(dú)特優(yōu)勢(shì), 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(guò)在PDMS襯底材料表面沉積金屬層制造加工形成電極, 在長(zhǎng)期連續(xù)(7天)的心電監(jiān)測(cè)過(guò)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(kāi)發(fā)出一種采用單點(diǎn)接觸方式的可穿戴式、無(wú)線的生物電采集裝置, 并在心電信號(hào)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(jì)了1種包含有2個(gè)輸入電極和1個(gè)參考電極的基于PDMS襯底干式柔性表面肌電電極, 肌電信號(hào)測(cè)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(hào)實(shí)現(xiàn)假手運(yùn)動(dòng)的精確控制。

1.5 泡沫結(jié)構(gòu)電極

為了消除人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)于生物電信號(hào)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(jì)與制造出新型的泡沫結(jié)構(gòu)軟性電極. 在腦電信號(hào)的測(cè)量過(guò)程中, 這種泡沫結(jié)構(gòu)電極還具有一個(gè)非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 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(hào)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中電極與皮膚的相對(duì)位移, 在心電測(cè)試結(jié)果表明其在減少運(yùn)動(dòng)干擾和減少電極與皮膚的接觸阻抗方面具有明顯優(yōu)勢(shì). Lin等人[30]針對(duì)頭皮的位置，設(shè)計(jì)出一種適宜于長(zhǎng)期腦電測(cè)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(cè)量使用過(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi), 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(gè)極片, 中間的絕緣膜為電容器的中間介質(zhì), 生物電信號(hào)可以通過(guò)這一特殊的電容器耦合到緩沖放大器輸入端, 實(shí)現(xiàn)對(duì)生物電位變化的測(cè)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(wú)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(jí)非常小, 需要超級(jí)大的輸入阻抗放大器以及相關(guān)的無(wú)偏、檢測(cè)和屏蔽技術(shù), 同時(shí)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(hào)的使用范圍也將會(huì)受到限制. 近年來(lái), 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(biāo)準(zhǔn)雙層印制電路板所組成的絕緣干電極, 通過(guò)厚度為350 mm棉布對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，與傳統(tǒng)的濕電極進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn), 該干電極與濕電極獲得的心電信號(hào)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(cè)量等領(lǐng)域的信號(hào)的檢測(cè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。