通过收集多通道电生理信号，可以全面了解电生理活动的空间分布和时间特征。这种方法有助于区分不同疾病的特征和模式，从而提高疾病诊断的准确性。微针阵列电极可以无痛穿透皮肤，并且减小电极与皮肤之间的阻抗；然而，目前的微针方法仅限于单通道，无法实现小面积区域内电生理信号的多通道采集。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自中山大学的研究人员采用降维制造工艺和集成方法，开发了一种多通道（32通道）微针干电极阵列（MMA）贴片装置（图1a）。该装置可无痛透皮记录皮下组织的电生理信号，包括脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和心电图（ECG）信号。这种装置实现了多通道电生理信号的采集，具有较高的时间和空间分辨率，并且在信号精度方面达到了单个微针的水平。其次，该微针电极装置通过穿透不导电的角质层（SC）而不接触存在神经和血管的深层组织，降低了电极与皮肤的接触阻抗，从而在相对较小的组织侵入性下获得高质量的电生理信号。最后，该微针电极装置具有很高的机械稳定性。微针结构可以有效地将电极固定在皮肤上，防止了电极移动造成的信号不稳定。相关研究成果以“Multichannel microneedle dry electrode patches for minimally invasive transdermal recording of electrophysiological signals”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 用于EMG信号检测的多通道微针干电极阵列原理图和制造过程
多通道微针干电极阵列的制作过程如图1b所示。研究人员设计了一种双面柔性印刷电路板（FPC）（图2a），上面有32个焊盘阵列，用于微针的装配。每个焊盘中央都有一个直径为250 μm的孔，可以用于将微针垂直插入FPC。为减少电极信号之间的干扰，焊盘之间的间距至少为3 mm。为确保导线在布线过程中保持特定的间距以减少相互干扰，研究人员将相邻导线在上下两层交替布线。此外，所有导线都用聚酰亚胺（PI）薄膜绝缘，并通过另一端的FPC接口（32引脚）引出。为了将镀金微针垂直焊接到FPC上，研究人员使用了厚度约为800 μm的定制FR4基板。通过调整FR4基板的厚度，可以调整从FPC上伸出的微针的长度。通过确保FPC和FR4基板上的孔对齐，微针在插入FPC焊盘的微孔时能够垂直竖立。
图2 多通道微针干电极阵列的制造和表征
根据上述设计和制造工艺，最终制成的MMA微针电极装置如图2f所示。每个微针的方向都与基板垂直，每个针尖都呈圆锥形。由于每个微针的底部都与焊盘相连，因此每个微针都与FPC上的独立电通路相对应，从而确保每个微针都能记录单独的电生理信号。当微针装置插入皮肤时，微针针尖可以穿透皮肤组织，接收来自皮下组织的电信号。与皮肤最外层接触的部分是绝缘的基板底座，这样可以减少来自皮肤表面的信号干扰，使记录的电生理信号更好地反映组织内的活动。此外，使用FPC作为基板意味着整个装置是柔性的（图2i）。因此，即使在弯曲的状态下，每个微针仍能保持垂直排列，显示出良好的机械韧性和稳定性。这种设计使微针电极装置能够贴合皮肤的形状，提高电极与皮肤的贴合度，减少电极与皮肤之间相对运动造成的运动伪影，从而提高记录电生理信号的质量。
在该项研究中，研究人员利用电气理论建模、COMSOL机械仿真和体外透皮阻抗测试实验，验证了微针透皮技术对降低电极-皮肤阻抗和提高皮下电生理信号采集振幅的有利影响。
图3 电极-皮肤模型的机械和电气仿真分析
此外，研究人员还开发了一套电路系统，用于同步采集32个通道的微弱电生理信号，以支持多通道微针阵列记录的运行。随后，研究人员利用动物体内实验证实了多通道微针阵列能够有效收集新西兰兔皮下组织的ECG、EMG和EEG信号，并利用多通道微针电极记录电生理信号的空间分布。此外，该研究通过在同一装置中集成微针电极（MNE）和平板电极（FE），证实了多通道微针阵列在透皮检测EEG信号方面比传统的干式平板电极阵列获得了更好的信号质量。
图4 使用多通道微针干电极阵列检测新西兰兔的ECG和EMG信号
图5 使用多通道微针干电极阵列检测新西兰兔的EEG信号
综上所述，该研究开发的多通道微针干电极阵列为改善干电极电生理信号采集的信号质量提供了一种前景广阔的策略。这项技术的开发不仅在脑机接口技术领域具有潜在的应用前景，而且为神经信号监测技术的发展提供了一种前景广阔的策略。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00702-8
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《给药应用的微针专利态势分析-2020版》
