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)介入治療是一個通過使用人工模擬的生物電信號來干預(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。將人工電信號導(dǎo)入人體時，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。針對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，是連接信號發(fā)生器和人體并將人工生物電信號導(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而移動。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完成電信號傳導(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)測量過程中。經(jīng)過長時間的科研測量和實(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?，F(xiàn)在市面上這種電極產(chǎn)品普及度很高，而且價格適宜，是皮外電極最常見的品類。皮外采集心電信號（ECG）、肌電信號（EMG）、腦電信號（EEG）和眼球電信號（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的過程中，這些附著結(jié)構(gòu)將會在電極和皮膚之間帶入空氣，從而影響到收集的信號強(qiáng)度。因此一般情況下，電信號的皮外采集過程需要導(dǎo)電膠來傳導(dǎo)電信號，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[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；② 刺入皮膚，跳過電阻較大的角質(zhì)層而直接從真皮層測量記錄生物電信號。

最初的干式電極是由導(dǎo)電金屬板組成[14]，使用時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量儀器，比如跑步機(jī)的心律測量。這種干式電極的最大優(yōu)勢是便于使用，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。這種電極會導(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電極觸點(diǎn)可以準(zhǔn)確對應(yīng)單個或少數(shù)幾個神經(jīng)元細(xì)胞或神經(jīng)纖維，記錄信息或輸出刺激信號。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)，信號的質(zhì)量越高而噪音越小。

為了優(yōu)化生物電信號的接收和發(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量人體電信號。

無接觸電極可以在不形成雙電層的情況下測量人體電信號，是因?yàn)樵撓到y(tǒng)利用了皮膚和電極表面兩個導(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，組成了一個電容體系。該體系的電容很?。?0pF級別）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)來偵測人體內(nèi)電信號的產(chǎn)生和變化。電極部分偵測到的微弱信號將通過信號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。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，醫(yī)生將找出需要針對的神經(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。然后通過每一個電極通道向神經(jīng)纖維傳遞電信號，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（EEG）測量方法是通過一組皮外電極多點(diǎn)測量腦部電信號。然而常用的電極組需要覆蓋在患者頭部，這給測量帶來了一定的不便，并容易受到病人肌肉電信號和細(xì)微動作的影響。因此研究人員針對腦電波的電學(xué)特性開發(fā)了一種通過電磁感應(yīng)測量大腦電信號的系統(tǒng)。

楞次定律證明閉合電路中電流的變化會形成一個激發(fā)磁場，該磁場會阻礙感應(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量電信號強(qiáng)度。通過在不同位點(diǎn)放置導(dǎo)電線圈并測量電信號強(qiáng)度，即可獲取腦電波信號。

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)均會影響人體和醫(yī)療器械之間的互動效果，因此必須針對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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