用于脑电图的电极的制作方法

用于脑电图的电极
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年11月20日提交的并且题为“electrode for electroencaphalography”的美国临时专利申请序列号为62/938,061的优先权权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本公开内容的实施方式涉及用于脑电图(eeg)信号的获取的电极。


背景技术：

4.表面脑电图使得可以测量受试者的颅骨表面上的扩散电势的变化。这些电势的变化通常被称为脑电图信号或eeg信号。
5.考虑到要测量的电势变化的幅度非常小(即，几微伏的数量级)，提取可靠的eeg信号推动了表面eeg设备的发展，该eeg设备改善了传感器与头皮之间的导电性。改善接触的一个障碍可能是受试者头发的状况(即，长度、厚度和样式)，这可能显著影响由测量的电势所经历的阻抗。
6.为了解决信号可靠性的问题，一些表面eeg设备配备有凝胶电极，其中通过凝胶或导电液体进行接触，该凝胶或导电液体容易渗过用户的头发来到达头皮。电极本身通常由金属制成。凝胶使得可以降低电阻抗，并且因此降低对周围信号的干扰，而无需电极与头皮之间的物理接触。这种解决方案在头皮的任何点处都提供了良好的导电性。然而，需要技术援助来确保适当的电极放置，这反过来又是耗时的(因为必须应用凝胶并且针对每个电极单独检查电导)。
7.在某些情况下，电极包括电路系统(除了金属“传感器”本身)。该电路系统可以处理来自传感器的模拟信号，以在该信号被路由至其他电子部件之前放大在传感器处捕获的电势。这样的电极被称为“活性”湿式电极。在这种情况下，放大意味着部件将线路上的电压强烈驱动至来自传感器的电平。在放大之后，由于信号在转换(从模拟到数字)之前被传送至其他部件，因此信号较不易受到干扰。阻抗越大(例如，由于头发状况)，信号越弱(就线路上的驱动电压而言)，因此即使使用凝胶，该放大电路系统对于正常运行也是必要的。
8.凝胶的使用将设备的使用持续时间限制为几个小时(因为当凝胶干燥时不再保证接触)。在许多情况下，在使用eeg系统之后，导电液体或凝胶会在头发中留下残留物，这可能难以去除。
9.最近，已经引入了配备有所谓的“活性干式”电极的表面脑电图仪：该电极被称为“干式”，这是因为它们不需要凝胶或其他导电液体。活性干式电极通过捕获头皮表面上的电势信号的变化来操作，并且然后放大这些信号(在一些情况下，还过滤这些信号)。因此，获得的模拟信号然后借助于由微控制器控制的一个或更多个模数转换器转换成数字信号。微控制器接收数据用于分析、存储和/或向前传输至另一设备。
10.在活性干式电极中，与头皮的接触通过连接至电子电路的固体导电元件或“传感
器”进行来克服阻抗的增加(与存在凝胶时的阻抗相比)。与凝胶电极相比，活性干式电极促进了信号捕获，但是也使得能够对捕获的信号进行过滤和/或放大，并且因此提高信噪比。
11.稳定接入至头皮限制了信号捕获的可靠性。传感器的形状受到针对通过受试者头发延伸的接触的需要的限制。
12.已知提供针式活性干式传感器(在导电聚合物材料中)，该针式活性干式传感器需要施加显著的压力来到达用户的头皮。由于在头皮和传感器针的界面处施加压力，这样的传感器非常不舒适，特别是用于长期使用时非常不舒适。
13.在医疗或相关研究领域中的已知系统通常包括经常为弹性或防水织物的不好看的帽，该不好看的帽具有用于接收各个传感器/电极的附接位置。然后将电子电路连接至电极和获取链的外壳(即，用于获取eeg信号的连接部件的组件)。因此，eeg设备通常由操作者/展出者在每次使用时必须组装的三个不同元件形成。同样，eeg设备的性质使得技术援助即使不是必要的也是期望的。
14.此外，eeg设备(及其电极)的用户可接受性提出了审美约束，以及舒适度和易用性方面的约束。在许多情况下，这些约束是采用eeg技术的有效显著障碍。长期使用的舒适度和对技术援助的需要阻碍采用的应用示例包括应用例如视频游戏、培训(例如针对健康和安全或飞行模拟的培训)、助睡眠等。
15.因此，期望为eeg设备提供解决上述挑战的电极。


技术实现要素：

16.本公开内容涉及提供优异信号质量、易用性、用户舒适度和设计自由度的平衡的活性干式电极。
17.根据第一方面，本公开内容涉及eeg设备的传感器，所述传感器用于测量由受试者的神经元活动生成的电信号，该传感器具有至少一个叶片状(即层状)接触表面，该接触表面在横切头皮的平面中具有弯曲轮廓，凸形的弯曲轮廓局部垂直于头皮。
18.本公开内容的电极布置穿过头发(偏转或分开发束)以将头皮暴露于线性接触表面，同时提高舒适度。梳状电极布置使得压力能够分布在一个或更多个线性贴片上，而不是在头皮上产生非常局部的压力点，同时自然地分开头发以减少传感器与头皮之间的头发深度并且增加接触表面。
19.便利地，传感器的叶片平行布置，使得具有沿传感器叶片脊的轴线的自然梳理动作(优选地，在与局部头发植入相同的方向上)的将电极布置设置在受试者头部的正确部分上的动作将头发耙开而没有显著不适。
20.根据一个或更多个实施方式，相邻传感器叶片之间的边到边间距大于2mm，以使得头发能够通过。有利地，所述间距小于50mm，有利地小于10mm以不损失精度。例如，所述间距在2mm与6mm之间。
21.根据第二方面，本公开内容涉及包括电子电路和如上所述的传感器的活性干式电极，该电子电路被布置成对由传感器检测到的电信号进行过滤和放大。
22.根据第三方面，本公开内容涉及包括如上所述的至少一个活性干式电极的eeg设备。
23.根据一个或更多个实施方式，eeg设备还包括：电子信号处理链，该链包括一个或
更多个模数转换器(adc)，该模数转换器(adc)被配置成将从电子滤波和放大电路接收的信号变换成数字信号；以及微控制器，该微控制器用于向外部处理单元传输所述数字信号和/或存储所述数字信号。
附图说明
24.为了容易标识对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中的一个或更多个最高位数字指代该元件被首次引入时所在的图号。
25.图1示出了根据本公开内容的用于接收和处理eeg信号的电子架构；
26.图2a和图2b示出了根据本公开内容的传感器的示例的侧视图和端视图；
27.图3示出了根据本公开内容的可弹性变形的支撑安装组件内的示例性传感器的另一视图；以及
28.图4示出了根据本公开内容的活性干式电极的示意性布置。
具体实施方式
29.图1示出了根据本公开内容的用于借助于eeg设备100接收和处理eeg信号的电子架构的示例。
30.为了测量受试者110的颅骨表面上的扩散电势，eeg设备100包括便携式设备102(即，帽或头盔)、模数转换(adc)电路系统104和微控制器106。图1的便携式设备102包括一个或更多个活性干式电极108，活性干式电极108通常在1个电极与128个电极之间，有利地在2个与64个之间，有利地在4个与16个之间。
31.每个活性电极108包括用于检测由受试者的神经元活动生成的电信号的传感器以及电子滤波和放大电路。这些元件将在下面结合图4更详细地讨论。在图1中示出了使用中的活性电极108，其中传感器与受试者的头皮物理接近。
32.每个adc 104被配置成转换给定数量的活性电极108(例如在1个与128个之间)的信号。
33.活性干式电极中的一个或更多个被配置为参考电极。所述参考电极或每个参考电极连接至所有转换器104。一个或多个参考电极优选地被定位成在远离其他活性电极的区域中与用户的头部接触。
34.转换器104由微控制器106控制并且例如通过协议spi(“串行外围接口”)与微控制器106进行通信。例如通过蓝牙、wi-fi(“无线保真”)或li-fi(“光保真”)，微控制器106将接收到的数据打包以传输至外部处理单元(未示出)，例如计算机、移动电话、虚拟现实耳机、汽车或航空计算机系统(例如汽车计算机或计算机系统、飞机)。
35.在某些实施方式中，每个活性电极108由电池(图1中未示出)供电。该电池便利地设置在便携式设备102的外壳中。
36.在某些实施方式中，每个活性电极108测量从中减去由参考电极测量的电势(ei＝vi-vref)的各自的电势值，并且该差值借助于adc 104数字化，然后由微控制器106传输。
37.图2a和图2b分别示出了根据本公开内容的传感器(即，活性干式电极的固体导电元件)的侧视图和截面。
38.传感器由导电材料(例如导电聚合物)形成。便利地，传感器包括嵌入式金属板
204，该金属板提供附加的机械加固。传感器被成形成包括弯曲的接触表面202：在使用中，接触表面建立与受试者110的头皮的物理接触。
39.从图2a的侧视图可以看出，接触表面具有弯曲轮廓，该弯曲轮廓是凸形的，以曲率半径r(r的典型值约为几十毫米)远离传感器的主体弯曲。
40.图2b表示穿过图2a的传感器中心的竖直截面。在图2a和图2b所示出的示例中，传感器具有两个平行的瓣(或“叶片”)，每个瓣具有相同的凸形弯曲轮廓。在截面中，每个叶片也是圆形的(例如，其中典型的曲率半径r'约为一毫米)。
41.在图2a和图2b所示出的示例中，叶片基本上平行布置，以在佩戴设备时沿基本上平行的线形成与受试者的头皮的接触。虽然导电叶片可以由刚性材料形成，但是它们也可以通过受试者的头皮上的压力而可弹性变形。
42.当开始与头皮接触时，每个叶片的接触表面202朝向头部弯曲(即，它们在局部垂直于头皮表面的方向上是凸形的)。这意味着每个叶片的曲率不符合头皮的曲率。虽然凹形叶片形状会直观地促进沿线性接触表面的较大部分的更有效的接触，但是实证研究表明情况正好相反。以下两个因素似乎确定了实际上建立的接触如何有效：梳理效果和叶片尖端。
43.虽然凹形叶片形状在叶片的每个端处提供尖端，可以想象这有助于传感器叶片分开发束，但是观察到叶片的凸形形成以有效地、较小阻力的分开头发。此外，凹形传感器叶片的叶片尖端似乎在不在尖端处的点处将叶片从头皮上抬起，使得不是沿叶片较均匀地分布压力(即，为了较好的舒适度)而是使在其中与用户的头皮接触的叶片的表面最大化(即，为了较好的信号)，凹形叶片设计实际上在用户舒适度和信号可靠性方面表现差于凸形形状。
44.在传感器叶片由适当的可塑材料形成(在图1中，传感器叶片由导电聚合物制成：一个示例是充满有导电颗粒的热塑性塑料，例如碳材料(光纤、粉末或纳米管))的条件下，凸形传感器叶片形状的进一步益处是，它非常适合于使用公知的注射技术进行注射成型生产(意味着它适合于大量生产)。在整个传感器由导电聚合物制成的情况下，不需要附加的导电涂层。
45.图2a和图2b中的传感器设置有金属插件204。金属插件可能并不总是必要的，这取决于传感器叶片的材料选择和所需的稳健程度。在存在的情况下，金属插件可以起到加固叶片材料的机械功能的作用。考虑到放置在电极周围的框架上的具体尺寸约束，导电聚合物的硬度可能不足以单独提供稳健的eeg设备。如果需要，金属插件还可以用于其电特性，以提供从用户的头皮到电子电路的导电路径。
46.图3示出了传感器安装布置300，在该传感器安装布置300中，例如图2a和图2b中所示出的传感器200安装在框架302(或保持架)内。传感器200安装在一个或更多个螺旋弹簧304(此处为两个)上。(一个或多个)螺旋弹簧304和传感器的一部分206被限制在框架302内。传感器的另一部分延伸超出框架，传感器叶片设置在另一部分上。螺旋弹簧304被压缩在框架内，使得传感器200被推靠在框架302中的止动件上。因此，框架302(其可以便利地由金属制成)将传感器200固定在框架302内，同时当向传感器叶片施加压力时(即，当传感器叶片开始与受试者的头皮表面接触时)，允许传感器200至少部分地缩回至框架内的凹槽中。
47.可选地，框架302包括内部金属保持架和外部塑料框架，从而促进了电极在框架内
的组装。包括传感器200、螺旋弹簧304和金属保持架的子系统可以被预先组装，并且然后被夹(例如卡扣配合)至塑料框架上。然后可以将弹簧指焊接至eeg设备的电路系统上，以进行与金属保持架的电接触。
48.在用于eeg设备的电极的某些布置中，提供充当“参考”电极的电极可能是便利的(其有助于提供针对其可以发生测量的电活动的参考电平)。便利地，用作参考电极的电极可以采用与测量电极相同的形式。
49.应注意，选择上述电极形状和尺寸以适应头发类型和长度的最广泛种类，并且以促进自主地安装和移除整个设备(即由受试者本身进行，而没有附加的技术援助)。
50.如以上所讨论的，活性干式电极通过连接至电子电路的固体导电元件或“传感器”进行与受试者的头皮的接触。传感器促进了信号捕获，同时对应的电子电路使得能够对捕获的信号进行放大和/或过滤。
51.图4示出了活性干式电极400的功能元件的布置，该活性干式电极400包括例如图2a、图2b和图3中所示出的传感器402、以及电子电路404。活性干式电极可以用作图1中的一个或更多个活性干式电极108中的一个。
52.在某些实施方式中，每个电子电路404包括一阶高通模拟滤波器、放大器和一阶低通模拟滤波器。滤波器使得可以抑制由对于预期应用无用的频率部件检测到的信号。
53.活性干式电极400被示成与受试者100的头皮进行接触。这可以在受试者的头部的局部区域处，例如在颅骨后部处的枕骨区域处。
54.每个电子电路404处的放大使得可以使信号的幅度适应模数转换器(adc)(图1中的104)的特征，并且在转换期间获得最大分辨率。
55.尽管通过多个详细的示例性实施方式进行了描述，但是根据本公开内容的用于获取脑电图信号的便携式设备包括对本领域技术人员来说明显的各种变型、修改和改进，应当理解，这些各种变型、修改和改进落入本公开内容的主题范围内，如由所附权利要求所限定的。
56.尽管已经参照具体示例实施方式描述了本发明主题的概述，但是在不偏离本公开内容的实施方式的较宽范围的情况下，可以对这些实施方式进行各种修改和改变。仅仅为了方便，可以在本文中通过术语“发明”来单独地或共同地引用本发明主题的这些实施方式，并且如果事实上公开了不止一个公开内容或发明构思，则并不旨在自愿地将本技术的范围限制为任何单个公开内容或发明构思。
57.本文中示出的实施方式被足够详细地描述，以使得本领域技术人员能够实践所公开的教导。其他实施方式可以被使用并且从中得到，使得可以在不偏离本公开内容的范围的情况下进行结构和逻辑替代和改变。因此，具体实施方式不应被认为具有限制意义，并且各种实施方式的范围仅由所附权利要求以及这样的权利要求被赋予的等同物的全部范围来限定。
58.如本文中使用的，术语“或”可以被解释为包含性或排他性意义。此外，可以为在本文中描述为单个实例的资源、操作或结构提供多个实例。另外，各种资源、操作、模块、引擎和数据存储之间的边界在某种程度上是任意的，并且特定操作在具体说明性配置的背景下示出。可以设想功能的其他分配，并且功能的其他分配可以落入本公开内容的各种实施方式的范围内。通常，在示例配置中作为单独的资源呈现的结构和功能可以被实现为组合的
结构或资源。类似地，作为单个资源呈现的结构和功能可以被实现为单独的资源。这些和其他变型、修改、添加和改进落入如由所附权利要求表示的本公开内容的实施方式的范围内。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性意义的。
59.示例
60.为了较好地示出本文中公开的系统和方法，此处提供了示例的非限制性列表：
61.1.一种用于脑电图(eeg)设备的传感器，所述传感器用于测量由受试者的神经元活动生成的电信号，所述传感器具有至少一个叶片状接触表面，所述接触表面在横切头皮的平面中具有弯曲轮廓，凸形的所述弯曲轮廓局部垂直于所述受试者的头皮。
62.2.根据示例1所述的传感器，其中，所述传感器的弯曲轮廓形成叶片形状，所述叶片形状曲率的曲率半径为至少50mm。
63.3.根据示例1或示例2所述的传感器，其中，所述传感器布置在框架中，在使用中，所述框架将所述传感器的接触表面推向所述头皮，以当所述设备由所述受试者佩戴时与所述头皮形成接触。
64.4.根据示例1至3中任一项所述的传感器，其中，所述传感器电耦接至电子电路，所述电子电路放大所述电信号。
65.5.根据示例4所述的传感器，其中，所述电子电路进一步操作以过滤经放大的电信号。
66.6.根据示例4或示例5所述的传感器，其中，所述传感器包括：连接器，所述连接器用于连接至所述eeg设备的电子信号处理链，所述链包括一个或更多个模数转换器(adc)，所述模数转换器(adc)被配置成将从所述电子电路接收的信号变换成数字信号；以及微控制器，所述微控制器用于向外部处理单元传输所述数字信号和/或存储所述数字信号。
67.7.一种包括电子电路和根据权利要求1至6中任一项所述的传感器的活性干式电极，所述电子电路被布置成对由所述传感器检测到的电信号进行过滤和放大。
68.8.一种脑电图(eeg)设备，包括一个或更多个根据示例7中所述的活性干式电极。
69.9.根据示例8所述的eeg设备，还包括：
70.电子信号处理链，所述链包括一个或更多个模数转换器(adc)，所述模数转换器(adc)被配置成将从电子滤波和放大电路接收的信号变换成数字信号；以及
71.微控制器，所述微控制器用于向外部处理单元传输所述数字信号和/或存储所述数字信号。