【摘 要】
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生物电位监测在疾病预防、诊断与治疗中发挥着关键作用,对医学研究有重要意义。作为生物组织和后端信号处理之间的桥梁,生物电极是生物电位监测中不可或缺的组成部分。与刚性电极相比,柔性生物电极可以实现与生物组织的保角接触,有助于采集高质量的生物电信号,同时可以有效减小对生物组织的损伤。因此,柔性生物电极受到生物学、医学科研工作者的极大关注。柔性生物电极制备中常用的柔性材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、
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生物电位监测在疾病预防、诊断与治疗中发挥着关键作用,对医学研究有重要意义。作为生物组织和后端信号处理之间的桥梁,生物电极是生物电位监测中不可或缺的组成部分。与刚性电极相比,柔性生物电极可以实现与生物组织的保角接触,有助于采集高质量的生物电信号,同时可以有效减小对生物组织的损伤。因此,柔性生物电极受到生物学、医学科研工作者的极大关注。柔性生物电极制备中常用的柔性材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对二甲苯(Parylene-C)、聚酰亚胺(PI)等,这些材料的杨氏模量已经远低于刚性电极常用的硅、金、铂、不锈钢等硬质材料,但仍旧与生物组织的杨氏模量具有多个数量级的差距。电极与生物组织之间杨氏模量的失配会影响二者的接触效果,导致所采集信号质量的恶化,甚至会造成生物组织的损伤。因此采用具有更低杨氏模量的柔性材料进行柔性生物电极的制备,是提高电极性能的重要途径之一。本文分别使用PDA-pGO-PAM水凝胶和BaTiO3/Ecoflex复合材料制备了柔性脑皮层电图(ECoG)电极,并利用基于PDA-pGO-PAM水凝胶、BaTiO3/Ecoflex复合材料的ECoG电极实现了对ECoG信号和SSVEP信号的采集。通过对信号的处理与分析,证明了两种ECoG电极具有高可信度与高信噪比。首先,分别制备了掺杂有经聚多巴胺(PDA)部分还原后的氧化石墨烯(GO)的PAM水凝胶和掺杂钛酸钡(BaTiO3)纳米颗粒的Ecoflex弹性体材料。利用X射线衍射谱、拉曼光谱、X射线能谱、材料试验机、宽频介电常数测试仪等测试手段,对材料的稳定性、杨氏模量、介电常数等基本特性进行了表征。其次,结合磁控溅射、激光切割、等离子体刻蚀等工艺,基于以上两种材料实现了ECoG电极的制备,并对其进行了漏电测试与电化学阻抗谱测试。最终,分别使用两种电极与螺钉电极进行了对大鼠ECoG信号与稳态视觉诱发电位(SSVEP)信号的采集。通过信号的处理与分析,验证了两种电极的可信度,获得了两种电极的信噪比参数。综合以上的材料与器件测试表征结果,分析了经PDA部分还原后的GO和BaTiO3纳米颗粒的掺杂对两种ECoG电极性能的影响规律。研究结果表明,PDA-pGO-PAM水凝胶和BaTiO3/Ecoflex复合材料均具备绝缘特性。基于PDA-pGO-PAM水凝胶或BaTiO3/Ecoflex复合材料(BaTiO3纳米颗粒含量为30wt%)的ECoG电极和螺钉电极各通道信号的相关系数分别可达76.91%、79.54%,证明两种电极均具有很高的可信度,可以很好地用于ECoG信号和SSVEP信号的采集。而与螺钉电极相比,两种电极采集的SSVEP信号具有更高的信噪比,PDA-pGO-PAM水凝胶ECoG电极的信噪比为12.17,容性BaTiO3/Ecoflex电极的信噪比为16.67。总而言之,基于PDA-pGO-PAM水凝胶或BaTiO3/Ecoflex复合材料(BaTiO3纳米颗粒含量为30wt%)的ECoG电极均可以可靠地实现高质量信号的采集。
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