Ein zweifunktionaler Trockenelektrodenkontakt zur Elektromyographie-Aufzeichnung und transkutanen elektrischen Stimulation

Den Muskeln zuhören und sie anstupsen

Wenn eine Person nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung versucht, eine Hand zu bewegen, kann das Gehirn zwar ein Signal senden, der Muskel reagiert aber nicht immer. Therapeutinnen und Therapeuten müssen oft sowohl die schwachen Muskeln „anhorchen“ als auch sie mit sanften elektrischen Impulsen „anstupsen“, damit Bewegung wieder möglich wird. Typischerweise sind dafür heute zwei verschiedene Sätze von klebenden, gelbasierten Elektroden auf der Haut nötig, was unordentlich sein und schwierig an kleinen Muskeln anzubringen sein kann. Diese Studie stellt eine neue Art von trockener Armband-Elektrode vor, die sowohl Muskelaktivität messen als auch elektrische Stimulation über dieselbe Hardware liefern kann und so künftige Rehabilitationsgeräte vereinfachen könnte.

Warum ein Band besser ist als zwei

Muskeltätigkeit lässt sich mit Elektromyographie überwachen, die winzige elektrische Signale von Muskeln durch die Haut aufnimmt. Um diese Muskeln zu unterstützen, nutzen Therapeutinnen und Therapeuten außerdem transkutane elektrische Stimulation, die elektrische Impulse zurück in den Körper sendet. Bei vielen Patientinnen und Patienten — insbesondere bei Menschen in der Rehabilitation nach einem Schlaganfall — ist am Arm oder an der Hand sehr wenig Platz, um separate Sensoren und Stimulatoren nahe denselben kleinen Muskelgruppen zu platzieren. Das Wechseln der Elektroden während der Therapie ist zeitaufwändig und kann dazu führen, dass der falsche Punkt nicht exakt getroffen wird. Ein einziges Wearable, das sowohl misst als auch an genau derselben Stelle stimuliert, könnte die Behandlung schneller, präziser und komfortabler machen.

Ein wiederverwendbares, gel-freies Band bauen

Die Forschenden entwickelten ein schlankes Armband aus kleinen Kupferquadraten, die mit einer dünnen Goldschicht überzogen wurden. Im Gegensatz zu gängigen „nassen“ Elektroden, die auf klebendem Gel basieren, arbeiten diese trockenen Metallkontakte direkt auf der Haut. Gold wurde gewählt, weil es gut leitet und eine stabile, langlebige Oberfläche bildet. Jeweils sechs dieser kleinen Elektroden wurden auf jedem Kunststoffsegment montiert, und acht Segmente wurden zu einem flexiblen Band verbunden, das um den Unterarm passt. Vierzig Freiwillige trugen dieses Band, während sie sechs einfache Hand- und Handgelenksgesten ausführten, etwa die Hand öffnen oder das Handgelenk beugen, damit das Team testen konnte, wie gut die neuen Elektroden die Muskelaktivität über die Zeit erfassen.

Dem Band beibringen, Handgesten zu erkennen

Um die Signalqualität praxisnah zu bewerten, beschränkte sich das Team nicht nur auf Messungen des Rauschens. Sie trainierten einen Computeralgorithmus darauf, welche Geste eine Person allein anhand der vom Armband aufgezeichneten elektrischen Muster ausführt. Der Ansatz nutzte ein Netzwerk kleiner, bildbasierter Klassifikatoren, die gemeinsam entschieden, welche der sechs Gesten am wahrscheinlichsten ist. Dasselbe Experiment wurde zum Vergleich mit einem bekannten kommerziellen Armband namens Myo wiederholt. Das neue trockene Band erreichte eine Genauigkeit von etwa 80,5 % bei der Erkennung der richtigen Geste und lag damit praktisch auf dem Niveau des kommerziellen Geräts mit 80,3 %. Das Signal-Rausch-Verhältnis der trockenen Elektroden blieb bei bis zu 21 Monaten wiederholter Nutzung stabil, was darauf hindeutet, dass die goldbeschichteten Kontakte über die Zeit zuverlässig bleiben.

Prüfung, wie gut es Muskeln bewegen kann

Als Nächstes untersuchten die Forschenden, wie effektiv das Band elektrische Stimulation liefern kann. Zwei Segmente des trockenen Armbands wurden über Muskeln platziert, die das Handgelenk und den Ringfinger beugen, und ein gängiger klinischer Stimulator wurde verwendet, um Impulse durch die Elektroden zu senden. Sie bestimmten den niedrigsten Strom, den Nutzerinnen und Nutzer spüren konnten, den Strom, der eine sichtbare Muskelkontraktion auslöste, und eine etwas höhere Stufe. Gleichzeitig maß ein Drehmoment-Sensor an Hand oder Finger, wie viel Kraft der Muskel erzeugte. Diese Tests wurden an denselben Stellen auch mit herkömmlichen gelbasierten Elektroden wiederholt. Bei 40 Teilnehmenden gab es keine bedeutsamen Unterschiede zwischen den trockenen und den nassen Elektroden hinsichtlich der benötigten Ströme oder des erzeugten Drehmoments, was zeigt, dass das neue Design genauso effektiv stimulieren kann wie vorhandene klinische Pads.

Blick in die Zukunft intelligenter Reha-Geräte

Die Studie zeigt, dass ein einzelnes trockenes, goldbeschichtetes Armband zuverlässig Muskelsignale zur Gestenerkennung erfassen und zugleich sichere sowie effektive Stimulation liefern kann. Für Laien bedeutet das, dass künftige Rehabilitationshilfen eher wie eine einfache Manschette oder ein Armband aussehen könnten, das sowohl Ihre Bewegungsabsichten versteht als auch Ihren Muskeln hilft, sie auszuführen — ganz ohne unordentliche Gele oder ständiges Neupositionieren. Während die aktuelle Arbeit das Messen und Stimulieren getrennt testete, skizzieren die Autorinnen und Autoren, wie zukünftige Versionen die beiden Funktionen rasch abwechseln könnten, um echtzeitfähige, intentionsgesteuerte Therapien für Menschen in der Rekonvaleszenz nach Schlaganfall oder bei anderen neuromuskulären Erkrankungen zu unterstützen.

Zitation: Mohammadiazni, M., Zhou, Y. & Trejos, A.L. A dual-function dry electrode for electromyography recording and transcutaneous electrical stimulation. Sci Rep 16, 11576 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41729-3

Schlüsselwörter: oberflächen-elektromyographie, elektrische Stimulation, Rehabilitationstechnologie, tragbare Sensoren, Handgestensteuerung