神經介入治療：生物電極

張冠石

本刊編輯部，北京 100022

0 前言

神經介入治療是一個通過使用人工模擬的生物電信號來干預人體神經系統，從而增強、抑制或修正神經反射的過程。將人工電信號導入人體時，要用到由良導體組成的電極。隨著神經介入技術的發展，這種治療技術的精確性和準確性都在不斷提高，而實現這些技術進步的關鍵也在于新型電極設計和制造工藝的改良。

生物電極在神經介入治療中的功能主要是接收和傳導信號。針對不同的使用范圍和目的，研究人員開發制作了不同材質和結構的電極。最初的生物電極主要由惰性金屬制成，這些材料穩定性高、生物相容性好，而隨著高分子和納米材料的發展，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，并且已經獲得了一定的進展。

1 原理：雙電層模型（Gouy-Chapman-Stern，GCS）

生物電極在神經介入治療中所扮演的角色，是連接信號發生器和人體并將人工生物電信號導入人體的介質和介面。電流在電極內部的傳導遵循庫侖定律，在進入人體之后則按照一定的規律去影響活體細胞的生物膜電位，從而生成或調整神經系統或肌肉內的神經脈沖。

在將人工電信號導入人體的過程中，由于人體內細胞和組織液的電學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性質就尤為重要。金屬電極中，電荷的移動是由電子在金屬能帶中的遷移現象完成的，而在本質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過程形成的電荷移動完成電信號傳導。

為了闡述膠體溶液和金屬介質之間的電學屬性，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內容[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，受到負電荷吸引，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電膠體顆粒的擴散層[6]，見圖1。

圖1 雙電層結構的模型

由于致密層溶液中電荷在空間中分布不均勻，這層溶液實際上體現出了一定的電容特性。再加上電荷的擴散效應，得出雙電層的電學模型，見圖2。

圖2 雙電層結構的電學模型

在該模型中，ZCPA是介面電容導致的阻抗[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和擴散層電容CG計算得出：

致密層電容與雙電層厚度、雙電層和普通溶液滲透性有關，而擴散層電容則與電極電壓、膠體顆粒所帶電荷等條件有關。

2 傳統的電極設計

2.1 配合導電膠使用的銀電極

傳統的皮外電極是銀電極（Ag/AgCl）[9]，這種電極通常作為標準電極用于電化學測量過程中。經過長時間的科研測量和實際應用，標準Ag/AgCl電極的各項屬性數據均已準確測出，其工作原理也已非常清楚。在正確的操作流程下，這種電極配合導電性良好的高分子膠能夠給出非常完美的臨床結果。

Ag/AgCl電極最常見結構是一顆鍍銀的盤狀電極，后部與導線相連。現在市面上這種電極產品普及度很高，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等附著結構，在皮外采集生物電信號的過程中，這些附著結構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度。因此一般情況下，電信號的皮外采集過程需要導電膠來傳導電信號，排除電極與皮膚之間的空氣等干擾因素。導電膠主要由各種網狀導電高分子組成，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獲得與使用導電膠的電極質量相仿的生物電信號[13]。

干式電極根據工作原理可以分為兩種：① 利用汗液等導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電金屬板組成[14]，使用時需要潤濕皮膚或者利用汗液的導電作用。最常見的就是用于各種快速測量儀器，比如跑步機的心律測量。這種干式電極的最大優勢是便于使用，不需要固定和涂抹膠體，缺點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。該設計擴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電膠依賴的手段是跳過電阻較高的皮膚角質層[15-18]。人類皮膚角質層厚度約為10～40 mm，因此可以使用經過精密加工的微型針頭電極來采集皮下的電信號。這種電極會導致病人輕微的炎癥和刺痛感。

2.3 植入式電極

在絕大多數情況下，植入式電極被用于人機交互系統中，尤其是被用于腦機接口中。植入式電極按功能可以分為兩類：信號收集類和激發類。兩類電極在設計和材料方面并沒有太大的區別。

植入式電極，尤其是用于腦機接口的品類，由于其接觸的是人體最敏感的部分——神經組織，因此在設計和制作的過程中，對結構和材料有著很高的要求。植入式電極常用的觸電材料是導電性優良、化學活性極弱的貴金屬，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。

在設計方面，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。這樣做的目的是使每一個電極觸點可以準確對應單個或少數幾個神經元細胞或神經纖維，記錄信息或輸出刺激信號。正常情況下，電極距離目標細胞越近，距離其他細胞越遠，信號的質量越高而噪音越小。

為了優化生物電信號的接收和發送，降低不良反應，并促進神經元細胞體和神經纖維在電極觸點上的生長，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來減輕炎癥反應；使用高分子和氨基酸修飾電極來降低排異反應。

3 最新進展

3.1 無接觸電極

無接觸電極是一種新型的皮外電極，該電極的特點在于不必與人體皮膚接觸，不需要傳統的雙電層機制進行電荷交換，并可以在不接觸皮膚、毛發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，是因為該系統利用了皮膚和電極表面兩個導體層和二者之間的空氣以及其他物質構成的絕緣層，組成了一個電容體系。該體系的電容很小（10pF級別）而電阻很大（大于108Ω），因此隔絕了電荷交換的可能，而完全由電容感應來偵測人體內電信號的產生和變化。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Prance和合作者首次開發了一組無接觸電極系統[19]，該系統由25顆ECG電極組成，可以在3 mm內收集人體電信號。該系統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信號放大器開發了上述產品的改進型[20]。

無接觸電極的出現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。隨著技術的改進，有的公司逐步將電極嵌入到病床、椅子、床墊等日常用品中，實現了對脫離電極的病人實施監護等目的。

3.2 多通道電極

隨著醫療技術的發展，在一個單獨的位點所能達到的信息收集和神經刺激效果已經不能滿足醫療手段的需求，而且單次植入操作也難以保證電極位置的精確性，因此多通道電極應運而生。

標準的多通道電極包含大約60只電極觸點（8×8或6×10）。電極觸點的尺寸約在10～30μm之間，材料為導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，以金屬絲為導電部分。

環狀神經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集成在一片可折疊的絕緣材料上。環狀神經電極的主要用途是利用人工電信號刺激神經纖維。通常情況下1根神經纖維包括大量的神經，每1根神經負責不同的功能，因此在需要有選擇性地刺激其中1根而保持其他的神經不變的時候，就需要在該神經所在的神經纖維表面施加電刺激。

使用環狀電極時，醫生將找出需要針對的神經纖維，將環狀電極沿外圍固定一圈，保持電極觸點與神經纖維的良好接觸。然后通過每一個電極通道向神經纖維傳遞電信號，并通過觀察患者反應確定每一顆觸點的效果。結合所獲得的數據和結果，醫生可以編碼電極各個通道之間的編碼方式來優化神經刺激效果。

3.3 電磁感應（腦電波）

傳統的腦電信號（EEG）測量方法是通過一組皮外電極多點測量腦部電信號。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微動作的影響。因此研究人員針對腦電波的電學特性開發了一種通過電磁感應測量大腦電信號的系統。

楞次定律證明閉合電路中電流的變化會形成一個激發磁場，該磁場會阻礙感應電流的磁通量變化。在人腦中，存在著大量的空間方向垂直于顱骨的神經元細胞，這些細胞內的信號傳導是通過電流形式實現的，而這些電流的產生、改變和消失均會遵循楞次定律引起空間內磁場的改變。因此，在顱骨外側的垂直平面上配置導電線圈，就可以捕捉到激發磁場的變化并量化地測量電信號強度。通過在不同位點放置導電線圈并測量電信號強度，即可獲取腦電波信號。

4 結論

醫用電極作為連接神經介入類醫療器械和患者身體的重要介質，在神經介入治療過程中扮演著極為重要的角色。其材質、尺寸和結構設計均會影響人體和醫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行深入的優化。

隨著各種功能高分子和納米科技的發展以及微機電技術（MEMS）的進步，醫用電極的制作材質選擇范圍將得到進一步的拓展，其尺寸將進一步縮減，而電學性質和生物相容性將進一步提高，從而為需要神經介入治療的患者帶來更大的便利。

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