用于在電容耦合生物醫(yī)學(xué)電極中提供過充電保護(hù)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】披露了一種交變電場響應(yīng)生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，它提供通過復(fù)合物的電容性耦合。該生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物包括粘結(jié)劑材料、大量散布在粘結(jié)劑材料中的極性材料以及在粘結(jié)劑材料中的導(dǎo)電微粒。極性材料對交變電場的存在性產(chǎn)生響應(yīng)，并且導(dǎo)電微粒不具有充分的濃度以形成通過復(fù)合物的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，除非和直到復(fù)合物變得過充電。
【專利說明】用于在電容耦合生物醫(yī)學(xué)電極中提供過充電保護(hù)的系統(tǒng)和方法
[0001]優(yōu)先權(quán)
[0002]本申請要求2011年10月13日提交的S/N13/272，545的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，該優(yōu)先權(quán)文件全篇地援引包含于此。
[0003]發(fā)明背景
[0004]本發(fā)明總地涉及導(dǎo)電和非導(dǎo)電材料，這些材料結(jié)合在該材料的一側(cè)提供對在該材料另一側(cè)上的電場起反應(yīng)的電場來使用以用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
[0005]對于生物醫(yī)學(xué)場合的導(dǎo)電壓敏粘合劑(PSA)的設(shè)計(jì)已很長時間地存在挑戰(zhàn)，至少因?yàn)檎澈蟿?qiáng)度和柔性大致隨著增加的導(dǎo)電性而減小。典型地被使用(例如添加)以提供良好導(dǎo)電性的材料一般是較低柔性的和抑制粘附的。一種制備導(dǎo)電涂層的傳統(tǒng)方式是用諸如石墨、銀、銅之類的導(dǎo)電微粒填充聚合材料，然后涂覆、曬干和固化聚合物粘結(jié)劑(binder)。在這些情形下，導(dǎo)電微粒處于如此這般濃度下:即當(dāng)微粒各自與至少一種其它的相鄰微粒物理接觸時形成有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。如此，導(dǎo)電路徑是通過復(fù)合物提供的。
[0006]然而，對于壓敏粘合劑(PSA)來說，如果微粒濃度高得足以形成其中微粒-微粒接觸得以維持的網(wǎng)絡(luò)，則PSA組分的聚合物(例如彈性體)幾乎沒有機(jī)會以高得足以流出從而在襯底和電機(jī)之間形成表面-表面接觸(即起到粘合劑的作用)的濃度出現(xiàn)。相反，如果PSA組分具有充分的濃度以對襯底作出充分的表面接觸，則會截?cái)嘞噜彽膶?dǎo)電微粒以使微粒-微粒接觸受到中斷。
[0007]另一類型的導(dǎo)電PSA包括導(dǎo)電的球形微粒，其直徑等于或大于PSA的厚度。以此方式，可沿微粒的表面攜帶信號或電流，由此提供沿粘合劑的z維度各向異性地流動的電流。這種復(fù)合物在現(xiàn)有技術(shù)中尚未表明可用作生物醫(yī)學(xué)粘合劑。
[0008]諸如氯化鈉或氯化鉀之類的鹽當(dāng)處于水介質(zhì)中時容易溶解，并且它們的離子分裂(分離成正離子和負(fù)離子)。分裂的離子可在隨后傳遞電流或信號。因?yàn)檫@個原因，很久以來將鹽添加至水，然后將其添加至聚合和彈性材料，以提供良好的導(dǎo)電性。例如，美國專利N0.6，121，508披露了一種用于生物醫(yī)學(xué)電極的壓敏粘合劑水溶膠。該凝膠材料被披露為至少包括水、氯化鉀和聚乙二醇，并被披露為導(dǎo)電的。美國專利N0.5，800，685也披露了一種導(dǎo)電粘合劑水凝膠，該導(dǎo)電粘合劑水凝膠包括水、鹽、引發(fā)劑或催化劑以及交聯(lián)劑。然而，這些水凝膠的使用一般也需要使用水凝膠一側(cè)(離開患者)的導(dǎo)電表面，該導(dǎo)電表面能夠接受離子導(dǎo)電電荷，例如相對昂貴的銀/氯化銀。
[0009]盡管這些水凝膠/粘合劑可能具有良好的導(dǎo)電特性，但是它們經(jīng)常僅具有一般的粘合特性。另一負(fù)面因素是導(dǎo)電性隨著改變含水量(例如由汽化造成的改變)而改變，這要求在使用前將水凝膠保持在密封環(huán)境中，并且由于汽化只能在隨后使用有限的時間段。
[0010]美國專利N0.7，651，638披露了一種對水不敏感的交流電響應(yīng)復(fù)合物，該復(fù)合物包括聚合材料和大量散布在聚合材料中的極性材料(例如鹽)。然而，這種極性材料不用來提供經(jīng)由離子傳導(dǎo)的導(dǎo)電性。選擇聚合材料和極性材料，以使這兩種材料各自表現(xiàn)出相互吸引，這種相互吸引基本與各材料中的吸引相同。因此，極性材料既不凝結(jié)到一起也不大量出現(xiàn)在聚合材料的表面，而是保持懸浮在聚合材料中。這與其它應(yīng)用中旨在大量出現(xiàn)在表面的這些鹽的使用(以提供沿一表面的導(dǎo)電層，例如用于靜電放電)相反。
[0011]然而，美國專利N0.7，651，638的復(fù)合物保持介電并具有高電阻，并且因此由于材料的高電阻不適用于某些應(yīng)用，例如向人類主體提供電刺激(去纖顫和/或經(jīng)皮電神經(jīng)刺激等)。這種類型的信號檢測粘合劑也不能以按照AAMI EC12-2000-4.2.2.4的足夠及時的方式消散電荷過載，AAMI EC12-2000-4.2.2.4針對去纖顫過載恢復(fù)(DOR)。這些材料因此不適合用作監(jiān)視電極，在將去纖顫電荷施加于患者之后可能需要通過該監(jiān)視電極來檢測信號。對于AAMI EC12-2000-4.2.2.4無法合格是由于這些電容耦合粘合劑的高電阻。
[0012]因此，仍然需要一種用于在生物醫(yī)學(xué)電極中至少通過PSA的z維度傳導(dǎo)表征信號和/或電流的復(fù)合物以使導(dǎo)電微粒的使用可被最小化，同時保留粘合劑的特性以便可維持良好的電氣性能和良好的粘合劑性質(zhì)這兩者。
發(fā)明概要
[0013]本發(fā)明根據(jù)一實(shí)施例提供一種用于生物醫(yī)學(xué)電極的交變電場響應(yīng)性復(fù)合物，該電極提供通過該復(fù)合物的電容性耦合。復(fù)合物包括粘結(jié)劑材料、大量散布在粘結(jié)劑材料中的極性材料以及在粘結(jié)劑材料中的導(dǎo)電微粒。該極性材料響應(yīng)于交變電場的存在性，并且導(dǎo)電微粒不具有足夠的濃度以形成通過該復(fù)合物的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但仍然在例如去纖顫過程的事件中提供過充電保護(hù)。
[0014]根據(jù)一個實(shí)施例，過充電保護(hù)是通過使導(dǎo)電微粒經(jīng)由電泳遷移以形成通過復(fù)合物的導(dǎo)電路徑來提供的。
[0015]根據(jù)另一實(shí)施例，粘結(jié)劑和極性材料表現(xiàn)出相互的分子相容性，并且導(dǎo)電微粒在粘結(jié)劑材料中仍然基本彼此隔離。
[0016]根據(jù)又一實(shí)施例，導(dǎo)電微?？梢允且苑勰?、碎片顆粒、納米管等形式的碳或石墨。
[0017]根據(jù)又一實(shí)施例，本發(fā)明提供一種方法，該方法使用電泳提供生物醫(yī)學(xué)電極中的過充電保護(hù)。
[0018]附圖簡述
[0019]通過參閱附圖將進(jìn)一步理解下面的描述，在附圖中:
[0020]圖1示出在電泳前根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0021]圖2示出存在上升的生物醫(yī)學(xué)電場(Vbi。+)時圖1的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0022]圖3示出存在下落的生物醫(yī)學(xué)電場(VbiJ時圖1的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0023]圖4示出存在過充電電場(VOTOTC;haw(Va_))時圖1的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0024]圖5A-5C示出在施加表現(xiàn)出電泳活動的直流(DC)過充電電場之后的連續(xù)瞬間圖1的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0025]圖6A-6B示出在施加表現(xiàn)出電泳活動的交流(AC)過充電電場之后的連續(xù)瞬間圖1的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0026]圖7示出在共同過充電區(qū)域上施加過充電電場之后本發(fā)明的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0027]圖8示出本發(fā)明的復(fù)合物的寬區(qū)域的解說性示意圖，其表明可形成本發(fā)明的復(fù)合物的選擇性各向異性性質(zhì)，由此提供多個不連續(xù)的過充電區(qū)域。[0028]圖9示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的復(fù)合物的解說性示意圖；
[0029]圖1OA和圖1OB示出傳統(tǒng)各向異性測量設(shè)備中的生物醫(yī)學(xué)傳感器輸出日期連同根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的復(fù)合物的解說性圖解；
[0030]圖11和圖12示出在不同放大倍數(shù)下本發(fā)明的復(fù)合物的解說性顯微鏡圖；
[0031]圖13-16示出根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的生物醫(yī)學(xué)電極的解說性示意圖；以及
[0032]圖17-18示出在電泳之前和之后采用碳納米管的本發(fā)明的又一實(shí)施例的復(fù)合物的解說性示意圖。
[0033]附圖僅為解說目的給出并且不按照比例繪制。
[0034]詳細(xì)描述
[0035] 申請人:已發(fā)現(xiàn)盡管美國專利N0.7，651，638的復(fù)合物被披露為通過電容性耦合起作用，然而可將導(dǎo)電微粒加至這些復(fù)合物以得到令人驚訝的結(jié)果；盡管它們不以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的量被添加，然而當(dāng)復(fù)合物暴露于例如AAMI EC12-2000-4.2.2.2.4中使用的200伏DC之類的過充電電壓時導(dǎo)電復(fù)合物經(jīng)受電泳。如果在受監(jiān)視的患者身上進(jìn)行去纖顫過程，這種過電壓充電將發(fā)生。無法以足夠及時的方式使來自電極的電荷消散以使電極能夠再次拾取ECG信號可能由于缺少ECG信號而可能導(dǎo)致額外的去纖顫過程。此外，從電極至患者的電容性放電可能造成灼傷患者皮膚。
[0036]然而已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在過充電電壓時，導(dǎo)電微粒在粘結(jié)劑內(nèi)遷移以形成通過復(fù)合物的獨(dú)立導(dǎo)電路徑，由此使通過復(fù)合物的電阻率顯著地下降。這種功能提供對生物醫(yī)學(xué)電極的過充電保護(hù)。
[0037]該電阻可通過AAMI EC12-2000-4.2.2.1 (AC電阻)中描述的方法測得，該方法提供對任何單值容許的最大值3000歐姆以及不超過2000歐姆的平均值。使用馬薩諸塞州的馬爾伯勒的QuadTech公司銷售的QuadTechl920精密LCR計(jì)量器，將這里使用的AC電阻方法修正至20Hz而不是IOHz。
[0038]然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明僅包括按重量計(jì)5%碳微粒的復(fù)合物的例子在過充電之后具有低于1000歐姆的電阻，這意味著該復(fù)合物通得過AAMI EC12-2000-4.2.2.4，但在經(jīng)歷過充電電場之前仍然能通過美國專利N0.7，651，638中披露的電容性耦合技術(shù)來起作用。事實(shí)上，已進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過添加少至(1%)的導(dǎo)電微粒一該導(dǎo)電微粒或者隨機(jī)地散布在如前所述包括極性材料的聚合材料內(nèi)或者處于該聚合材料內(nèi)的特定位置，可形成在過充電之后通得過 AAMI EC12-2000-4.2.2.1 和 AAMI EC12-2000-4.2.2.4 的復(fù)合物。使用 2.5%導(dǎo)電微粒添加可獲得較低電阻混合物(在過充電之后)，并且使用5 %導(dǎo)電微粒添加可獲得更低電阻混合物(在過充電之后)。
[0039]本發(fā)明的又一方面在于，由于來自極性材料的對準(zhǔn)/弛豫電場的表征信號出現(xiàn)在Z方向，因此可利用大面積(沿X和y方向)材料，該材料在公共大面積材料上包含許多受體接觸(receiver contact)。因此,這種材料是各向異性的，即傳感器接觸可在同一復(fù)合物材料上彼此毗鄰而沒有橫跨信號檢測。此外，由于通過電泳形成的導(dǎo)電路徑如下文所述是彼此離散的，因此復(fù)合材料在過充電之后保持各向異性。
[0040]對粘結(jié)劑材料(例如聚合材料或彈性材料)、極性材料和導(dǎo)電材料的要求是這些材料以這樣的方式相互作用:極性材料和導(dǎo)電材料均不在粘結(jié)劑材料中結(jié)塊在一起或者大量出現(xiàn)在粘結(jié)劑材料的表面。如果導(dǎo)電材料具有與粘結(jié)劑相似的表面能，則它保持懸浮在粘結(jié)劑材料中，但仍然在任何過充電之前不具有足夠濃度以提供通過材料的導(dǎo)電性。
[0041]圖1例如示出根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的復(fù)合物10，該復(fù)合物10包括粘結(jié)劑材料12和散布在粘結(jié)劑材料12中的導(dǎo)電微粒14。如放大的示意圖16所示，粘結(jié)劑材料12包括在分子比例上組合的聚合材料18和極性材料20。這例如是通過將極性材料(在處于蒸發(fā)水/酒精溶液中時)引入溶劑和/或液體散布的聚合物材料并隨后允許水/酒精溶液蒸發(fā)而在聚合材料中留下極性材料來達(dá)成的。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，聚合材料例如可以是丙烯酸粘合劑，例如可以表示
為:
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種交變電場響應(yīng)性生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，提供通過所述復(fù)合物的電容性耦合，所述生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物包括粘結(jié)劑材料、大量散布在所述粘結(jié)劑材料中的極性材料以及在所述粘結(jié)劑材料中的導(dǎo)電微粒，其中所述極性材料對交變電場的存在性作出響應(yīng)，并且其中所述導(dǎo)電微粒不具有足夠的濃度以形成通過所述復(fù)合物的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述粘結(jié)劑材料包括聚合材料。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒包括碳粉、碳碎片、碳顆?；蛱技{米管。
4.如權(quán)利要求3所述的復(fù)合物，其特征在于，所述碳是石墨形式的。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒具有在大約0.35g/cm3和大約1.20g/cm3范圍內(nèi)的密度。
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒具有在大約0.5g/cm3和大約l.0g/cm3范圍內(nèi)的密度。
7.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒的表面能高于所述粘結(jié)劑材料的表面能。
8.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒隨機(jī)地分布在所述復(fù)合物中。
9.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒以有序排列提供在所述復(fù)合物中。
10.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物包括由碳形成的導(dǎo)電層。
11.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物包括不具有銀/氯化銀的導(dǎo)電層。
12.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物包括用于電耦合至監(jiān)視設(shè)備的多種連接類型。
13.一種交變電場響應(yīng)性復(fù)合物，對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供通過所述復(fù)合物的電容性耦合，所述復(fù)合物包括粘結(jié)劑材料、大量散布在所述粘結(jié)劑材料中的極性材料以及在所述粘結(jié)劑材料中的導(dǎo)電微粒，其中所述粘結(jié)劑材料和所述極性材料表現(xiàn)出相互的分子相容性，并且其中所述導(dǎo)電微粒在所述粘結(jié)劑材料中基本保持彼此分離。
14.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒包括碳粉、碳碎片、石墨顆?；蚣{米管。
15.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒具有在大約0.5g/cm3和大約l.0g/cm3范圍內(nèi)的密度。
16.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒的表面能高于所述粘結(jié)劑材料的表面能。
17.—種生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，包括通過所述生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物的離散導(dǎo)電路徑，其中所述導(dǎo)電路徑是由碳材料形成的，通過所述生物化學(xué)復(fù)合物沿一方向延伸，但在通過所述生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物與所述方向橫交的方向上仍然不提供導(dǎo)電，由此所述生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物可用于表現(xiàn)出各向異性導(dǎo)電特性的生物醫(yī)學(xué)電極。
18.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電路徑是通過電泳形成的。
19.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電路徑是由碳微粒形成的。
20.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述導(dǎo)電路徑是由碳球體形成的。
21.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物具有小于約3000歐姆的電阻。
22.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物具有小于約2，000歐姆的電阻。
23.如權(quán)利要求17所述的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合物，其特征在于，所述復(fù)合物具有小于約500歐姆的電阻。
24.一種在交變電場響應(yīng)性復(fù)合物中提供過充電保護(hù)的方法，所述方法包括下列步驟:提供粘結(jié)劑材料；將極性材料添加至所述粘結(jié)劑材料以使所述極性材料變得大量散布在所述粘結(jié)劑材料中并使所述粘結(jié)劑材料和所述極性材料表現(xiàn)出相互的分子相容性；以及將導(dǎo)電微粒添加至所述粘結(jié)劑材料以使所述導(dǎo)電微粒在所述粘結(jié)劑材料中保持基本彼此分離，除非且直到施加過充電，所述過充電使所述導(dǎo)電微粒在所述復(fù)合物中經(jīng)歷電泳并形成通過所述復(fù)合物的導(dǎo)電路徑。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒具有在大約0.5g/cm3和大約l.0g/cm3范圍內(nèi)的密度。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電微粒的表面能高于所述粘結(jié)劑材料的表面能。
【文檔編號】H01B1/24GK104011805SQ201280057763
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月13日
【發(fā)明者】K·伯納姆, R·斯科弗, S·托馬斯 申請人:弗萊康股份有限公司