神經(jīng)介入治療：生物電極

張冠石

本刊編輯部，北京 100022

0 前言

神經(jīng)介入治療是一個(gè)通過使用人工模擬的生物電信號(hào)來干預(yù)人體神經(jīng)系統(tǒng)，從而增強(qiáng)、抑制或修正神經(jīng)反射的過程。將人工電信號(hào)導(dǎo)入人體時(shí)，要用到由良導(dǎo)體組成的電極。隨著神經(jīng)介入技術(shù)的發(fā)展，這種治療技術(shù)的精確性和準(zhǔn)確性都在不斷提高，而實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵也在于新型電極設(shè)計(jì)和制造工藝的改良。

生物電極在神經(jīng)介入治療中的功能主要是接收和傳導(dǎo)信號(hào)。針對(duì)不同的使用范圍和目的，研究人員開發(fā)制作了不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的電極。最初的生物電極主要由惰性金屬制成，這些材料穩(wěn)定性高、生物相容性好，而隨著高分子和納米材料的發(fā)展，科研人員開始考查各種新型材料作為生物電極原材料的可能性，并且已經(jīng)獲得了一定的進(jìn)展。

1 原理：雙電層模型（Gouy-Chapman-Stern，GCS）

生物電極在神經(jīng)介入治療中所扮演的角色，是連接信號(hào)發(fā)生器和人體并將人工生物電信號(hào)導(dǎo)入人體的介質(zhì)和介面。電流在電極內(nèi)部的傳導(dǎo)遵循庫侖定律，在進(jìn)入人體之后則按照一定的規(guī)律去影響活體細(xì)胞的生物膜電位，從而生成或調(diào)整神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉內(nèi)的神經(jīng)脈沖。

在將人工電信號(hào)導(dǎo)入人體的過程中，由于人體內(nèi)細(xì)胞和組織液的電學(xué)特性與金屬電極有所不同，因此了解電極-組織液介面的物理和化學(xué)性質(zhì)就尤為重要。金屬電極中，電荷的移動(dòng)是由電子在金屬能帶中的遷移現(xiàn)象完成的，而在本質(zhì)為膠體溶液的組織液中，電荷以帶電膠體粒子為載體分散在體系中，而且隨著帶電粒子的移動(dòng)而移動(dòng)。兩者之間，電荷不能直接形成交換，而是通過電極-組織液介面上的一系列物理和化學(xué)過程形成的電荷移動(dòng)完成電信號(hào)傳導(dǎo)。

為了闡述膠體溶液和金屬介質(zhì)之間的電學(xué)屬性，Helmholtz于1879年提出了該介面的平板模型，也就是雙電層模型的雛形。之后，1910年和1913年，Gouy和Chapman分別修正了平板模型，建立了Gouy-Chapman擴(kuò)散雙電層模型。1924年，Stern又提出了Stern模型，基本確立了雙電層理論的相關(guān)內(nèi)容[1-5]。

膠體溶液中的電荷是以帶電膠體粒子的形式分散在體系中。正負(fù)電荷總量相等，以保證溶液的電中性。在金屬電極中，電荷的流動(dòng)以電子流的形式生成。如果金屬部分電子聚集，那么在金屬-組織液介面上的組織液一側(cè)，受到負(fù)電荷吸引，會(huì)有帶正電的膠體顆粒聚集，形成一層帶正電的致密層（Stern層），而在致密層外面還會(huì)有富集負(fù)電膠體顆粒的擴(kuò)散層[6]，見圖1。

圖1 雙電層結(jié)構(gòu)的模型

由于致密層溶液中電荷在空間中分布不均勻，這層溶液實(shí)際上體現(xiàn)出了一定的電容特性。再加上電荷的擴(kuò)散效應(yīng)，得出雙電層的電學(xué)模型，見圖2。

圖2 雙電層結(jié)構(gòu)的電學(xué)模型

在該模型中，ZCPA是介面電容導(dǎo)致的阻抗[7]：

其中CI是介面的電容。在GCS模型中[8]，介面電容可以由致密層電容CH和擴(kuò)散層電容CG計(jì)算得出：

致密層電容與雙電層厚度、雙電層和普通溶液滲透性有關(guān)，而擴(kuò)散層電容則與電極電壓、膠體顆粒所帶電荷等條件有關(guān)。

2 傳統(tǒng)的電極設(shè)計(jì)

2.1 配合導(dǎo)電膠使用的銀電極

傳統(tǒng)的皮外電極是銀電極（Ag/AgCl）[9]，這種電極通常作為標(biāo)準(zhǔn)電極用于電化學(xué)測(cè)量過程中。經(jīng)過長時(shí)間的科研測(cè)量和實(shí)際應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)Ag/AgCl電極的各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)均已準(zhǔn)確測(cè)出，其工作原理也已非常清楚。在正確的操作流程下，這種電極配合導(dǎo)電性良好的高分子膠能夠給出非常完美的臨床結(jié)果。

Ag/AgCl電極最常見結(jié)構(gòu)是一顆鍍銀的盤狀電極，后部與導(dǎo)線相連。現(xiàn)在市面上這種電極產(chǎn)品普及度很高，而且價(jià)格適宜，是皮外電極最常見的品類。皮外采集心電信號(hào)（ECG）、肌電信號(hào)（EMG）、腦電信號(hào)（EEG）和眼球電信號(hào)（EOG）等均使用這種電極[10-12]。

由于人體皮膚有大量溝回并有毛發(fā)等附著結(jié)構(gòu)，在皮外采集生物電信號(hào)的過程中，這些附著結(jié)構(gòu)將會(huì)在電極和皮膚之間帶入空氣，從而影響到收集的信號(hào)強(qiáng)度。因此一般情況下，電信號(hào)的皮外采集過程需要導(dǎo)電膠來傳導(dǎo)電信號(hào)，排除電極與皮膚之間的空氣等干擾因素。導(dǎo)電膠主要由各種網(wǎng)狀導(dǎo)電高分子組成，包括聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等。

2.2 干式電極

與使用導(dǎo)電膠的Ag/AgCl電極相反，干式電極在使用時(shí)不需要涂抹額外的導(dǎo)電液體。一般情況下，只需要略微潤濕皮膚，干式電極就可以在短時(shí)間內(nèi)獲得與使用導(dǎo)電膠的電極質(zhì)量相仿的生物電信號(hào)[13]。

干式電極根據(jù)工作原理可以分為兩種：① 利用汗液等導(dǎo)電液體連接人體與電極，降低皮膚的電阻，從而接收記錄人體電信號(hào)；② 刺入皮膚，跳過電阻較大的角質(zhì)層而直接從真皮層測(cè)量記錄生物電信號(hào)。

最初的干式電極是由導(dǎo)電金屬板組成[14]，使用時(shí)需要潤濕皮膚或者利用汗液的導(dǎo)電作用。最常見的就是用于各種快速測(cè)量儀器，比如跑步機(jī)的心律測(cè)量。這種干式電極的最大優(yōu)勢(shì)是便于使用，不需要固定和涂抹膠體，缺點(diǎn)是不能固定于某處長期測(cè)量，因此在臨床上作用比較受限。另一種干式電極則是由彈性橡膠摻雜碳纖維組成。該設(shè)計(jì)擴(kuò)大了干式電極的舒適性和易用性，并且由于可以更好地貼近皮膚，該電極的信號(hào)質(zhì)量也有所提高。

除了貼在皮膚上之外，另一種使電極降低對(duì)導(dǎo)電膠依賴的手段是跳過電阻較高的皮膚角質(zhì)層[15-18]。人類皮膚角質(zhì)層厚度約為10～40 mm，因此可以使用經(jīng)過精密加工的微型針頭電極來采集皮下的電信號(hào)。這種電極會(huì)導(dǎo)致病人輕微的炎癥和刺痛感。

2.3 植入式電極

在絕大多數(shù)情況下，植入式電極被用于人機(jī)交互系統(tǒng)中，尤其是被用于腦機(jī)接口中。植入式電極按功能可以分為兩類：信號(hào)收集類和激發(fā)類。兩類電極在設(shè)計(jì)和材料方面并沒有太大的區(qū)別。

植入式電極，尤其是用于腦機(jī)接口的品類，由于其接觸的是人體最敏感的部分——神經(jīng)組織，因此在設(shè)計(jì)和制作的過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)和材料有著很高的要求。植入式電極常用的觸電材料是導(dǎo)電性優(yōu)良、化學(xué)活性極弱的貴金屬，比如金、鉑、銥等，電極表面以陶瓷、聚酰亞胺等絕緣材料密封并保證生物相容性。

在設(shè)計(jì)方面，由于定位精確性的需要，單個(gè)植入電極的尺寸往往被控制在幾十至幾百μm范圍內(nèi)。這樣做的目的是使每一個(gè)電極觸點(diǎn)可以準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞或神經(jīng)纖維，記錄信息或輸出刺激信號(hào)。正常情況下，電極距離目標(biāo)細(xì)胞越近，距離其他細(xì)胞越遠(yuǎn)，信號(hào)的質(zhì)量越高而噪音越小。

為了優(yōu)化生物電信號(hào)的接收和發(fā)送，降低不良反應(yīng)，并促進(jìn)神經(jīng)元細(xì)胞體和神經(jīng)纖維在電極觸點(diǎn)上的生長，研究人員嘗試使用不同的大分子修飾電極，并取得了一定的成效：使用有消炎作用的多肽修飾電極觸點(diǎn)來減輕炎癥反應(yīng)；使用高分子和氨基酸修飾電極來降低排異反應(yīng)。

3 最新進(jìn)展

3.1 無接觸電極

無接觸電極是一種新型的皮外電極，該電極的特點(diǎn)在于不必與人體皮膚接觸，不需要傳統(tǒng)的雙電層機(jī)制進(jìn)行電荷交換，并可以在不接觸皮膚、毛發(fā)等附著物的情況下測(cè)量人體電信號(hào)。

無接觸電極可以在不形成雙電層的情況下測(cè)量人體電信號(hào)，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)利用了皮膚和電極表面兩個(gè)導(dǎo)體層和二者之間的空氣以及其他物質(zhì)構(gòu)成的絕緣層，組成了一個(gè)電容體系。該體系的電容很小（10pF級(jí)別）而電阻很大（大于108Ω），因此隔絕了電荷交換的可能，而完全由電容感應(yīng)來偵測(cè)人體內(nèi)電信號(hào)的產(chǎn)生和變化。電極部分偵測(cè)到的微弱信號(hào)將通過信號(hào)放大器放大并輸出至處理器中。

1994年P(guān)rance和合作者首次開發(fā)了一組無接觸電極系統(tǒng)[19]，該系統(tǒng)由25顆ECG電極組成，可以在3 mm內(nèi)收集人體電信號(hào)。該系統(tǒng)的電阻和電容分別為1016Ω以及10-17F。2000年，Prance和他的研究小組利用德州儀器公司的INA116信號(hào)放大器開發(fā)了上述產(chǎn)品的改進(jìn)型[20]。

無接觸電極的出現(xiàn)使得人體電信號(hào)的獲取更加方便，而且病人的舒適程度也有所增加。隨著技術(shù)的改進(jìn)，有的公司逐步將電極嵌入到病床、椅子、床墊等日常用品中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫離電極的病人實(shí)施監(jiān)護(hù)等目的。

3.2 多通道電極

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，在一個(gè)單獨(dú)的位點(diǎn)所能達(dá)到的信息收集和神經(jīng)刺激效果已經(jīng)不能滿足醫(yī)療手段的需求，而且單次植入操作也難以保證電極位置的精確性，因此多通道電極應(yīng)運(yùn)而生。

標(biāo)準(zhǔn)的多通道電極包含大約60只電極觸點(diǎn)（8×8或6×10）。電極觸點(diǎn)的尺寸約在10～30μm之間，材料為導(dǎo)電性良好的金屬材料。常見的多通道電極包括Michigan電極組和Utah電極組，二者均以硅晶為基底，以金屬絲為導(dǎo)電部分。

環(huán)狀神經(jīng)電極是另一種多通道電極，它的特別之處在于將多通道的電極觸點(diǎn)集成在一片可折疊的絕緣材料上。環(huán)狀神經(jīng)電極的主要用途是利用人工電信號(hào)刺激神經(jīng)纖維。通常情況下1根神經(jīng)纖維包括大量的神經(jīng)，每1根神經(jīng)負(fù)責(zé)不同的功能，因此在需要有選擇性地刺激其中1根而保持其他的神經(jīng)不變的時(shí)候，就需要在該神經(jīng)所在的神經(jīng)纖維表面施加電刺激。

使用環(huán)狀電極時(shí)，醫(yī)生將找出需要針對(duì)的神經(jīng)纖維，將環(huán)狀電極沿外圍固定一圈，保持電極觸點(diǎn)與神經(jīng)纖維的良好接觸。然后通過每一個(gè)電極通道向神經(jīng)纖維傳遞電信號(hào)，并通過觀察患者反應(yīng)確定每一顆觸點(diǎn)的效果。結(jié)合所獲得的數(shù)據(jù)和結(jié)果，醫(yī)生可以編碼電極各個(gè)通道之間的編碼方式來優(yōu)化神經(jīng)刺激效果。

3.3 電磁感應(yīng)（腦電波）

傳統(tǒng)的腦電信號(hào)（EEG）測(cè)量方法是通過一組皮外電極多點(diǎn)測(cè)量腦部電信號(hào)。然而常用的電極組需要覆蓋在患者頭部，這給測(cè)量帶來了一定的不便，并容易受到病人肌肉電信號(hào)和細(xì)微動(dòng)作的影響。因此研究人員針對(duì)腦電波的電學(xué)特性開發(fā)了一種通過電磁感應(yīng)測(cè)量大腦電信號(hào)的系統(tǒng)。

楞次定律證明閉合電路中電流的變化會(huì)形成一個(gè)激發(fā)磁場，該磁場會(huì)阻礙感應(yīng)電流的磁通量變化。在人腦中，存在著大量的空間方向垂直于顱骨的神經(jīng)元細(xì)胞，這些細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)是通過電流形式實(shí)現(xiàn)的，而這些電流的產(chǎn)生、改變和消失均會(huì)遵循楞次定律引起空間內(nèi)磁場的改變。因此，在顱骨外側(cè)的垂直平面上配置導(dǎo)電線圈，就可以捕捉到激發(fā)磁場的變化并量化地測(cè)量電信號(hào)強(qiáng)度。通過在不同位點(diǎn)放置導(dǎo)電線圈并測(cè)量電信號(hào)強(qiáng)度，即可獲取腦電波信號(hào)。

4 結(jié)論

醫(yī)用電極作為連接神經(jīng)介入類醫(yī)療器械和患者身體的重要介質(zhì)，在神經(jīng)介入治療過程中扮演著極為重要的角色。其材質(zhì)、尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均會(huì)影響人體和醫(yī)療器械之間的互動(dòng)效果，因此必須針對(duì)特定的病癥和作用位置進(jìn)行深入的優(yōu)化。

隨著各種功能高分子和納米科技的發(fā)展以及微機(jī)電技術(shù)（MEMS）的進(jìn)步，醫(yī)用電極的制作材質(zhì)選擇范圍將得到進(jìn)一步的拓展，其尺寸將進(jìn)一步縮減，而電學(xué)性質(zhì)和生物相容性將進(jìn)一步提高，從而為需要神經(jīng)介入治療的患者帶來更大的便利。

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