柔性心外膜心电电极芯片及其制备方法

摘要

本发明涉及一种柔性心外膜心电电极芯片，包括柔性基底、电极单元、电极引线、引线连接点和绝缘层，电极单元、电极引线、引线连接点均设于柔性基底上，三者实现电连接，绝缘层设于柔性基底上并覆盖电极引线，电极单元和引线连接点表面不设绝缘层。本发明还涉及一种柔性心外膜心电电极芯片的制备方法。上述电极芯片由多个电极单元排列形成电极阵列，可实现最小到微米尺度的空间分辨率，具良好的柔软度和形变能力，可贴附在心脏表面，适应心脏表面轮廓的变化，既能保证电极与心脏表面目标区域形成良好的贴附，又能有效避免心脏运动过程中由电极造成的挤压和划伤等损害。可用于心脏疾病的定性诊断以及对病灶进行精确定位，为针对性治疗提供客观依据。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及一种柔性心外膜心电电极芯片，还 涉及一种柔性心外膜心电电极芯片的制备方法。

背景技术

常规心电检查从手、足、胸前等9个位置安置电极获取宏观体表心电信号 加以分析来判断心脏疾病。但是由于身体组织的非对称、非规则、非均匀性， 心脏产生的电信号在向体外传导过程中存在衰减、失真和滤波效应。另外体表 的心电信号在幅度和相位上与心脏表面的电位分布都有明显的差异，许多电生 理事件并不一定能在体表观察到。如心肌同时出现多个激动点时，多幅映射的 叠加将使体表电位难以确定。体表心电只能定性观察，不能进行病灶的精确定 位，因而导致诊断的正确率受限。而对于心律失常、心肌缺血等复杂的心脏疾 病则需要对心脏进行直接的检查才能定位定性，从而进行针对性治疗。

心外膜心电作为一种精确测量和观察分析心脏电活动的方法，与常规心电 图检查不同，它不仅能宏观地得出诊断，还能确定出病变的精确位置，为针对 性治疗提供客观依据。它是利用多电极系统覆盖心外膜表面对心脏电兴奋进行 多点同步记录。由于电极阵列与心外膜的直接接触，以及对心电信号的同步采 样，因此能客观而精确的反应心电兴奋的起源及传播的过程。

在美国，有将近五百万心脏衰竭患者，而且每年新增确诊患者数高达55万。 以当前情况来看，在美国等发达国家以心脏衰竭作为主要原因的疾病，其发病 率和死亡率主要来自替代干细胞介导的心肌梗死不足。

相比于体表心电图记录，心外膜多道心电图系统能够提供非对称性的心室 复极信息，而且在心脏再生中对监测心电图的变化非常有用。目前国外的心外 膜心电研究都力求以更多的电极点获取更精确的心肌激动顺序和分布的资料。 由于电极数目的众多，数据量大，因而大多都是采用离线分析的方法进行电生 理研究，难以应用于临床。

在生物医学信息提取中，电极起到换能器的作用，它可将生物机体产生的 生物电变化引导出来，变离子电流为电子电流。最早用于心电采集的是针状电 极，但是针状电极仅限于局部记录，后来随着研究深入，心外膜心电主要采用 方便操作的片状电极。

目前用于心外膜电极片的主要基底材料多为硅橡胶和热塑性塑料，便于实 现多位点检测。电极的基底材料应该具有良好的柔韧性和顺应性，能适应心脏 的收缩和舒张，电极的尺寸以及相对间距必须满足测量的要求，同时还要防止 对心外膜造成损伤。虽然硅橡胶和热塑性塑料为基底可以满足上述的要求，但 是随着电极的增多，电极引线容易混乱、折断，增加制作和使用的难度，同时 也会影响电极点与心外膜的贴附性。另外还有人用生理盐水浸透的医用纱布作 为电极的基底材料，术前将电极均匀缝合在纱布上，电极的直径达到1mm，间 距为3mm，常用的电极点的材料一般采用银（直径0.2mm银丝）或不锈钢（直 径1.5mm的不锈钢丝），现有心外膜电极的极间距一般为1-5.6mm。但在使用中 也会存在同样的问题。

最近还有研究将电极设计为电极点均匀分布制作在柔性印刷电路板上，电 极点表面暴露铜箔并做化学镀金处理。每个电极的引出线和柔性板形成一个整 体，电极片的原材料采用聚酰亚胺，通过降低厚度到微米尺度来增强贴靠行。 而电极点采用铜质外面镀金来达到长时间放置不易氧化，同时保证良好的接触 性。然而，受到材料本身性能的制约，聚酰亚胺薄膜不能拉伸和折叠，局部容 忍应变程度小于1%。即使可以通过不断降低聚酰亚胺薄膜的厚度来提高微电极 阵列的柔韧性，但是这样做增加了电极的加工难度，由于受到工艺的制约不得 不增大电极的加工尺寸，从而导致电极的分辨率下降，另外聚酰亚胺基底厚度 减薄，也使微电极阵列的机械强度和可操作性随之下降。

发明内容

基于此，有必要针对传统的心外膜电极片存在的问题，提供一种柔性心外 膜心电电极芯片。

一种柔性心外膜心电电极芯片，包括：柔性基底、电极单元、电极引线、 引线连接点和绝缘层，所述电极单元、电极引线及引线连接点共同组成电极组 件，所述电极组件设于所述柔性基底上，所述电极单元经由电极引线连接到引 线连接点，实现电连接，所述绝缘层设于所述柔性基底上并覆盖所述电极引线， 所述电极单元用于电连接心脏表面，所述柔性基底和绝缘层的材质为聚二甲基 硅氧烷。

在其中一个实施例中，所述电极组件包括电极层，所述电极层的材质为金、 钛、铜中的一种

在其中一个实施例中，所述电极组件还包括打底层，所述电极层设于所述 打底层上，所述打底层的材质为钛、铬，或包含这两种元素中的一种或两种的 合金。

在其中一个实施例中，所述电极单元还包括修饰层，所述修饰层设于电极 单元背向所述柔性基底的表面，所述修饰层的材质为铂、铱，或包含这两种元 素中的一种或两种的合金或化合物，或者聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚 苯胺中的一种。

在其中一个实施例中，所述柔性基底位于电极单元部分的厚度远小于柔性 基底其它区域的厚度。

在其中一个实施例中，所述柔性基底的横截面为长方形，所述电极单元和 引线连接点一一对应，所述电极组件包括关于所述长方形的中垂线轴对称的两 列，所述电极单元和对应的引线连接点位于中垂线的同一侧，所述电极单元设 于靠近所述中垂线的位置，对应的引线连接点位于靠近长方形与所述中垂线平 行的一边的位置，所述柔性心外膜心电电极芯片中部于背向所述绝缘层的一面 形成向内的凹陷。

还有必要提供一种柔性心外膜心电电极芯片的制备方法。

一种柔性神经束电极的制备方法，包括下列步骤：步骤一，在刚性基底上 设置聚二甲基硅氧烷形成柔性基底；步骤二，在所述柔性基底上形成电极组件， 所述电极组件包括引线连接点、用于电连接心脏表面的电极单元、及电连接所 述引线连接点和电极单元的电极引线；步骤三，在所述柔性基底上设置覆盖所 述电极组件的聚二甲基硅氧烷形成绝缘层，并在所述绝缘层的电极单元和引线 连接点位置处形成开口，露出所述电极单元和引线连接点；步骤四，将所述柔 性基底从刚性基底上分离，得到所述柔性心外膜心电电极芯片。

在其中一个实施例中，所述步骤二包括：制备一块形成有所述电极组件形 状的镂空图案的掩膜；将所述掩膜紧密贴附于所述柔性基底上；在贴附有所述 掩膜的柔性基底上淀积打底层；在所述打底层上淀积一层电极层；将所述掩膜 自柔性基底上移除。

在其中一个实施例中，所述步骤三之后还包括在所述电极单元表面镀一层 修饰层的步骤，所述修饰层的材质为铂、铱，或包含这两种元素中的一种或两 种的合金或化合物，或者聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯胺中的一种。

在其中一个实施例中，所述刚性基底为玻璃凸台。

上述柔性心外膜心电电极芯片具有良好的柔韧性和形变能力，记录部位准 确、接触严密、重复性好。另外在保证电极阵列的微米尺度加工精度和空间分 辨率的同时，可以实现90%的一维形变和20%的二维形变，不需要大幅度降低 基底厚度就可以实现很好的共形效果，实现微电极阵列与心脏表面的吻合贴附， 提高灵敏度。同时，与心脏良好的柔性匹配性能，能有效降低芯片对心外膜造 成损伤的风险。另外，芯片在折叠、扭曲和拉伸条件下仍能保持良好的电学性 能，从而提高了与心脏的匹配性。

附图说明

图1是一实施例中柔性心外膜心电电极芯片的结构示意图；

图2是沿图1所示虚线6的剖视图；

图3是一实施例中柔性心外膜心电电极芯片的制备方法的流程图；

图4是实施例1中柔性心外膜心电电极芯片的制备方法的流程图；

图5是实施例2中柔性心外膜心电电极芯片的结构示意图；

图6是沿图5所示虚线12的剖视图；

图7是实施例2中柔性心外膜心电电极芯片的应用示意图；

图8是实施例2中柔性心外膜心电电极芯片的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发 明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：

图1是实施例1中柔性心外膜心电电极芯片的结构示意图，柔性心外膜心 电电极芯片包括柔性基底1、绝缘层2、电极单元3、电极引线4以及引线连接 点5。电极引线4电连接电极单元3和引线焊点5，一个电极单元3、一根电极 引线4及一个引线焊点5共同组成一个电极组件。电极组件设于柔性基底1上， 绝缘层2设于柔性基底1上并覆盖电极引线4。电极单元3用于电连接心脏，引 线连接点5用于实现心电电极与外部电路的连接。图2是沿图1所示虚线6的 剖视图，在该实施例中，电极单元3和引线连接点5曝露在外界，表面不设绝 缘层。电极单元数量为10个，成2*5的矩阵分布。可以理解的，电极单元3的 尺寸、间距、数量根据实际应用要求可以进行调整。电极引线4的线宽、间距、 走线方式可以在充分考虑布线合理性的情况下进行调整。引线连接点5的尺寸 和间距根据实际应用要求可以进行调整。引线连接点5与电极单元3一一对应， 数量相同。

柔性基底1和绝缘层2的材质为聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。 聚二甲基硅氧烷具有良好的柔韧性和形变能力及良好的生物相容性，并能保证 柔性心外膜心电电极芯片的加工精度和空间分辨率。

上述柔性心外膜心电电极芯片由多个电极单元3排列形成电极阵列，可以 实现最小到微米尺度的空间分辨率，具有良好的柔软度和形变能力，可以贴附 在心脏表面，适应心脏表面轮廓的变化，既能保证电极与心脏表面目标区域形 成良好的贴附，又能有效避免心脏运动过程中由电极造成的挤压和划伤等损害。 可用于心脏疾病的定性诊断以及对病灶进行精确定位，为针对性治疗提供客观 依据。

图3是一实施例中柔性心外膜心电电极芯片的制备方法的流程图，包括下 列步骤：

S110，在刚性基底上设置聚二甲基硅氧烷形成柔性基底1。

刚性基底可以选用玻璃、硅片等，主要起支撑的作用。在本实施例中，刚 性基底采用硅片（可以为任意晶向），并采用旋涂的方式将聚二甲基硅氧烷设置 在硅片表面。其中改变柔性基底1厚度的方法主要有两种：一种是改变旋涂速 度，另外一种是改变聚二甲基硅氧烷的浓度。

S120，在柔性基底1上形成电极单元3、电极引线4以及引线连接点5。

采用微加工工艺（包括薄膜制备工艺、光刻工艺、刻蚀工艺等）在柔性基 底1上进行制作。一个电极单元3、一根电极引线4以及一个引线连接点5组成 一个电极组件，电极引线4将电极单元3和引线连接点5电连接。在其中一个 实施例中，电极组件至少包括电极层，电极层的材质为金、钛、铜中的一种。 在其中一个实施例中，电极组件还包括打底层，电极层设于打底层上，打底层 的材质为钛、铬，或包含这两种元素中的一种或两种的合金。在其中一个实施 例中，电极单元3还包括修饰层，修饰层设于电极单元3背向柔性基底1的表 面，修饰层的材质为铂、铱，或包含这两种元素中的一种或两种的合金或化合 物，或者聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯胺中的一种。

S130，在柔性基底1上设置覆盖电极组件的聚二甲基硅氧烷形成绝缘层2， 并在绝缘层2的电极单元3和引线连接点5位置处形成开口，将电极单元3和 引线连接点5露出。

绝缘层2同样可以通过旋涂的方法进行设置，绝缘层2的厚度也可以通过 改变旋涂速度或改变聚二甲基硅氧烷的浓度的方法进行调整。

S140，将柔性基底1从刚性基底上分离，得到柔性心外膜心电电极芯片。

采用上述柔性神经束电极的制备方法制备的柔性神经束电极，具有良好的 尺寸适应性，易于实现器件的归一化设计。

再提供一种实施例1中的柔性心外膜心电电极芯片的制备方法，参见图4， 包括下列步骤：

S210，在任意晶向的硅片上旋涂一层聚二甲基硅氧烷作为柔性基底1。

S220，制备一块掩膜，在掩膜上形成电极组件的镂空图案，将掩膜置于柔 性基底1上，形成紧密贴附。

S230，采用电子束蒸发的方法首先在柔性基底1上沉积一层钛膜作为打底 层，然后再采用热蒸发的方法在打底层上沉积一层金膜作为电极层。

打底层和电极层受到掩膜的镂空图案限制，形成电极组件的形状。

S240，移除掩膜。

S250，采用厚型光刻胶进行光刻，在电极单元3的位置和引线连接点5的 位置上制备出光刻胶牺牲层。

S260，旋涂一层聚二甲基硅氧烷作为绝缘层2。

其中绝缘层2的厚度应远低于厚型光刻胶牺牲层的厚度。

S270，去除光刻胶牺牲层，在牺牲层的位置形成绝缘层开口，将相应位置 的电极组件暴露出来。

S280，对电极单元3进行表面修饰。

即在电极单元3露出的表面镀一层铂黑或氧化铱作为修饰层，以降低阻抗。

在其它实施例中，修饰层的材质可以为铂、铱，或包含这两种元素中的一 种或两种的合金或化合物，或者聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯胺中的 一种。

实施例2：

图5是实施例2中柔性心外膜心电电极芯片的结构示意图，柔性心外膜心 电电极芯片同样由柔性基底7、绝缘层8、电极单元9、电极引线10以及引线连 接点11五部分组成。该实施例中与实施例1中的电极结构不同之处在于其采用 了一种阶梯式的电极结构，柔性基底7的厚度呈阶梯状设计。虽然聚二甲基硅 氧烷本身具有良好的弹性性能，但是其动态可拉伸的能力、柔软度及其贴附性 还是与其厚度息息相关。为了更好的适应心脏的收缩和舒张，避免对心外膜产 生损伤，可以对电极贴附在心脏上的位置处（主要集中在电极单元阵列和部分 走线区域）的柔性基底7进行减薄。具体的，在一个实施例中，位于电极单元9 下方的柔性基底7的厚度远小于柔性基底7其它区域的厚度，远小于一般指十 分之一以下。在本实施例中，对电极贴附在心脏上的位置处的柔性基底7局部 减薄至5μm以下，而外围引线连接点11部分可以保持在一个较厚的水平 50-500μm，这样既能保证器件的柔性，同时也保证了其封装和手术过程中的可 操作性。

在实施例2中，柔性基底7位于引线连接点11下方的部分的厚度远大于柔 性基底7位于电极单元9和电极引线10的下方的部分的厚度，柔性基底7设有 电极组件的一面为平面。图6是沿图5所示虚线12的剖视图。图7是其应用示 意图，其中包括心脏13，导线14，导线14用于实现引线连接点11与外部电路 的连接。

在实施例2中，柔性基底7的横截面为长方形，电极单元9和引线连接点 11一一对应。电极组件包括关于长方形的中垂线轴对称的两列，电极单元9和 其对应的引线连接点11位于中垂线的同一侧，电极单元9设于靠近中垂线的位 置，对应的引线连接点11位于靠近长方形与中垂线平行的一边的位置。柔性心 外膜心电电极芯片中部于背向绝缘层8的一面形成向内的凹陷。

再提供一种实施例2中的柔性心外膜心电电极芯片的制备方法，参见图8， 包括下列步骤：

S310，在带有凸台结构的玻璃基底上制备有台阶结构的聚二甲基硅氧烷柔 性基底7。

在本实施例中凸台结构为直角凸台，在其它实施例中也可以为斜角凸台。

S320，采用剥离（lift-off）技术，在柔性基底7上面制备所需要电极单元9、 电极引线10和引线连接点11的反转光刻胶图案。

S330，采用电子束蒸发的方式在柔性基底7上沉积一层金属钛膜。

S340，去除光刻胶及其上的金属钛膜，直接形成所需要的电极单元9、电极 引线10和引线连接点11。

S350，在制备好电极单元9、电极引线10及引线连接点11的柔性基底上旋 涂一层聚二甲基硅氧烷作为绝缘层8。

S360，采用激光切割的方法在电极单元9以及引线连接点11对应位置进行 切割，去除电极单元9以及引线连接点11表面的绝缘层，实现开口。

S370，对电极单元9进行表面修饰。

即在电极单元9露出的表面镀一层铂黑或氧化铱作为修饰层，以降低阻抗。

作为一种精确测量和观察分析心脏电活动的电极芯片，柔性心外膜心电电 极芯片与常规心电图电极不同，它不仅能宏观地得出诊断，还能确定出病变的 精确位置，可为针对性治疗提供客观依据，还可以更为直观的观察药物的疗效。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的效果：

1.此柔性心外膜心电电极芯片采用与生物体具有良好生物相容性的材 料制备，可以在体内长时间使用。

2.电极芯片采用柔性材料制成，更能适应心脏表面的不同轮廓并能随心 脏运动而同步伸缩且不发生移位。

3.电极芯片采用自动贴附，避免了缝合在心肌上造成伤口而产生损伤电 位，影响信号采集精度。

4.引线连接点采用柔性设计，保证各电极点与心外膜接触良好，避免了 刚性材质电极触点造成时通时断的现象出现。

5.电极芯片可以根据需要改变空间分辨率，电极阵列之间干扰小，使用 方便，无需缝合。

6.可以根据心脏结构设计应用于不同部位的记录芯片样式，可放置位置 多、脱位率低，不会产生并发症。

7.电极芯片在折叠、扭曲和拉伸的条件下仍然保持良好的电学性能，提 高了植入的可操作性，降低手术风险。

8.此电极芯片还可以用来直观的观察药物疗效。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。