基于新型纳米材料的EEG干电极的制备与应用研究

发布时间：2018-05-01 22:49

  本文选题：脑电图 + 纳米材料　； 参考：《天津理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着医学、神经科学、认知心理学和人工智能等学科的深入发展,脑电图作为一种获取大脑信息的有效手段已应用到医学检测、临床诊断以及脑-机接口等诸多领域。脑电图(Electroencephalogram,以下简称EEG)可用于检测癫痫、脑损伤、脑膜炎等一些疾病,还可实现脑机接口来控制轮椅、机器人、飞机等外部设备。EEG采集是脑电研究中的首要任务,目前采集方式主要有湿电极、半干电极、有源干电极和干电极等。湿电极是目前脑电采集的主流方式,但存在诸多不足,如需要涂抹导电介质,操作过程复杂,舒适度差,测试环境受限等。本文针对湿电极的不足,设计制备了一种基于新型纳米材料的半柔性脑电干电极—Ch/Au-TiO_2干电极(壳聚糖/金纳米颗粒/二氧化钛纳米管干电极),其制备过程如下:在基底钛片上采用多电位阶跃技术电沉积金纳米颗粒,通过阳极处理技术制备出二氧化钛纳米管阵列,再次进行金纳米颗粒沉积,最后涂覆壳聚糖作为干电极与头皮接触媒介。该电极工作机理如下:壳聚糖在低湿度下仍有较强的吸附力保证干电极与头皮的紧密接触;金纳米颗粒结合二氧化钛纳米管与头皮之间实现高速的离子电流与电子电流转换,从而降低了干电极与头皮之间的接触阻抗,达到EEG的采集标准。本文采用扫描电子显微镜,能谱,X射线衍射三种方法对Ch/Au-TiO_2干电极表征观测分析,由分析结果可知:在钛片上已长出排列整齐的二氧化钛纳米管阵列,其外直径小于80nm;在基底、二氧化钛纳米管的底部和表面均已沉积出大小不等的金颗粒;干电极表面已形成壳聚糖/金颗粒-二氧化钛纳米管/金纳米颗粒-钛多层薄膜结构。本文在电解液和皮肤上对干电极的阻抗特性进行了计算和评估,结果显示Ch/Au-TiO_2干电极与皮肤之间的阻抗值在频率2.15Hz时为169±33.0kΩ,在频率100Hz时为67.4±8.9kΩ。通过对干湿电极EEG采集对比实验得出:干湿电极在闭眼、睁眼状态下采集到有发区的所有被试脑电信号波形平均线性相关度分别为88%和89%;对alpha波和SSVEP脑电范式下的干湿电极采集的EEG信号进行频域分析,达到相近的结果,均呈现出明显的特征。综上所述,本文所研究的干电极能够达到标准湿电极脑电采集效果,采集到的脑电信号稳定,准确,可靠。
[Abstract]:With the development of medicine, neuroscience, cognitive psychology and artificial intelligence, EEG has been applied to many fields such as medical detection, clinical diagnosis and brain-computer interface. Electroencephalogram electroencephalogrammetry (EEGG) can be used to detect epilepsy, brain injury, meningitis and other diseases, but also to realize brain-computer interface to control wheelchair, robot, aircraft and other external equipment. EEG acquisition is the primary task in EEG research. At present, there are mainly wet electrode, half dry electrode, active dry electrode and dry electrode. Wet electrode is the mainstream method of EEG acquisition at present, but there are many shortcomings, such as the need to smear conductive medium, the operation process is complex, the comfort degree is poor, the test environment is limited, and so on. This paper aims at the shortage of wet electrode. A semi-flexible EEG dry electrode, Chr / Au-TiO2 dry electrode (chitosan / gold nanoparticles / titanium dioxide nanotube dry electrode) was designed and fabricated based on a new nanometer material. The preparation process is as follows: using multiple potentials on the substrate titanium substrate Step Electrodeposition of Gold nanoparticles, Titanium dioxide nanotube arrays were prepared by anodic treatment, then gold nanoparticles were deposited again. Finally, chitosan was coated as the contact medium between dry electrode and scalp. The working mechanism of the electrode is as follows: chitosan still has a strong adsorption force to ensure the close contact between the dry electrode and the scalp under low humidity, and the gold nanoparticles combine with the titanium dioxide nanotube and the scalp to realize the high speed ion current and electron current conversion. Thus, the contact impedance between the dry electrode and scalp is reduced, and the standard of EEG is reached. The Ch/Au-TiO_2 dry electrode was characterized by scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray diffraction (EDS). The results show that a well-arranged array of TiO2 nanotubes with an outer diameter of less than 80 nm has been grown on the titanium wafer. Gold particles of different sizes have been deposited on the bottom and surface of titanium dioxide nanotubes, and chitosan / gold particles, titanium dioxide nanotubes / gold nanoparticles and titanium multilayer films have been formed on the surface of dry electrode. The impedance characteristics of dry electrode were calculated and evaluated on electrolyte and skin. The results show that the impedance between Ch/Au-TiO_2 dry electrode and skin is 169 卤33.0k 惟 at frequency 2.15Hz and 67.4 卤8.9k 惟 at frequency 100Hz. Through the EEG collection and contrast experiment of the dry and wet electrode, it is concluded that the dry and wet electrode is closing the eyes, The average linear correlation was 88% and 89% for all EEG signals collected in the regions with eyes open, respectively. The frequency domain analysis of EEG signals collected by dry and wet electrodes in the alpha wave and SSVEP EEG paradigm showed that the results were similar. All showed obvious characteristics. To sum up, the dry electrode studied in this paper can achieve the standard wet electrode EEG acquisition effect, the collected EEG signal is stable, accurate and reliable.
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R741.044;TN911.6

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本文编号：1831343