微結構陣列電極淺析

◎孫東姣 張馨雨 黃瑤 姚換旭 張騰

引言：近年來，我國醫療器械行業迅猛發展，然而我國在先進醫療器械領域和發達國家仍具有一定的差距。先進醫療器械通常需要融合多種技術，包括精密制造技術、電子技術、通訊技術和生物技術等，屬于高精尖行業，具有較高的創新性和附加值。生物電是人體最基本的生理現象，通過檢測生物電的特征可以對人體內部狀況進行診斷。生物醫用電極作為生物電采集系統的關鍵元器件，很大程度決定了生物電的深入研究。因此，生物醫用電極的研發具有重要的研究意義和市場價值。以腦電信號采集為例，臨床里用于常規腦電圖記錄的電極主要有柱狀電極、盤狀電極和針電極。其中，常用的柱狀電極和盤狀電極在電信號采集過程中較為復雜且電阻較大，不利于信號分析。針電極用針尖裸露而針體絕緣的銀針刺入頭皮記錄，雖然操作簡單且電阻小，但給病人造成疼痛，并容易引發感染。為了克服以上缺點，微結構陣列電極近幾年被廣泛關注其能減小了對人體的傷害，同時提高導電性。

一、電極的分類

微結構陣列電極針尖直徑一般為30-80 微米，長度100 微米，可刺入皮膚的角質層（厚度一般10-15 微米）到達導電表皮層（厚度一般為50-100 微米）而不達到真皮層，生物醫用電極使用過程中需要與人體直接接觸，要求電極表面材料具有良好生物的兼容性，對人體無毒無害，不能對人體產生過敏等不良反應。目前研究的電極根據是否使用導電凝膠分為濕式電極和干式電極。

1.濕式電極。濕式電極使用時必須用導電凝膠實現表皮與電極的穩定接觸，使用前需要進行皮膚處理，盡可能擦除角質層會引發不適感，導電凝膠會隨著時間導電性能發生變化和測試結果不準確。

2.微結構陣列電極。微結構陣列電極在腦電信號采集系統主要由4 部分組成：微結構陣列電極、放大器、信號傳輸部分、電源。將微結構陣列電極置于被測者頭皮上采集腦電信號，將采集到的腦電信號傳輸給放大器，放大器對腦電信號進行放大、濾波等處理，由信號傳輸部分進行A/D轉換等處理，再進行后續處理。腦電信號采集導聯方式分為單極導聯和雙極導聯，單極導聯將作用電極放置在被測者的頭皮上，參考電極放在被測者的耳垂處，耳垂處的電位接近于零，作用電極的電位即腦電信號的大小；雙極導聯則將兩個電極放置在被測者的頭皮上，兩個電極的電位差即腦電信號。

微結構陣列電極的制備是要在硅片表面旋涂光刻膠，通過掩模、紫外曝光光刻和反應離子刻蝕（RIE）刻蝕，制備Si 微米陣列，利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測微米陣列的相關參數，調整光刻膠厚度和RIE 參數，調控微米陣列中單一針尖長度約為100 微米，直徑約為30-50 微米。利用電子束蒸發設備在Si 微米陣列表面蒸鍍金屬電極，提高電極導電性。與中醫藥大學附屬醫院腦電科室合作，檢測所制備微米陣列電極性能，并進一步改進工藝。

二、結語

生物醫用電極作為生物電采集系統的關鍵元器件，很大程度決定了生物電的深入研究。因此，生物醫用電極的研發具有重要的研究意義和市場價值。