Двухфункциональный сухой электротрод для регистрации ЭМГ и трансдермальной электрической стимуляции

Помощь мышцам: слушать и подсказывать

Когда человек пытается пошевелить рукой после инсульта или травмы, мозг может посылать команду, но мышца не всегда отвечает. Терапевтам часто нужно одновременно «слушать» ослабленные мышцы и «подтолкнуть» их мягким электрическим импульсом, чтобы вернуть движение. Сегодня для этого обычно используют два разных набора клейких электродов на геле, которые могут пачкать кожу и неудобны при размещении на мелких мышцах. В этом исследовании представлен новый вид сухого наплечного электрода в виде манжеты, который может как регистрировать активность мышцы, так и подавать электрическую стимуляцию через одно и то же устройство, что потенциально упрощает будущие реабилитационные приборы.

Почему одна манжета лучше, чем две

Активность мышц можно отслеживать с помощью электромиографии, которая улавливает крошечные электрические сигналы мышц через кожу. Чтобы помочь тем же мышцам двигаться, терапевты также используют трансдермальную электрическую стимуляцию, подающую электрические импульсы обратно в тело. У многих пациентов — особенно у восстанавливающихся после инсульта — на руке или предплечье очень мало места, чтобы разместить отдельные сенсоры и стимуляторы рядом с одними и теми же небольшими группами мышц. Перенаклейка электродов в ходе терапии занимает время и может привести к неточному попаданию в нужную точку. Одна носимая конструкция, которая может одновременно ощущать и стимулировать в точно одном и том же месте, могла бы сделать лечение быстрее, точнее и комфортнее.

Создание многоразовой манжеты без геля

Исследователи разработали тонкую манжету из небольших медных квадратов, покрытых тонким слоем золота. В отличие от распространённых «мокрых» электродов, которые полагаются на клейкий гель, эти сухие металлические контакты работают непосредственно на коже. Золото выбрали за хорошую проводимость и стабильную, долговечную поверхность. По шесть таких маленьких электродов были установлены на каждом пластиковом сегменте, а восемь сегментов соединены в гибкую ленту, которая охватывает предплечье. Сорок добровольцев носили эту манжету, выполняя шесть простых движений рукой и запястьем, например раскрытие кисти или сгибание запястья, чтобы команда могла проверить, насколько хорошо новые электроды фиксируют мышечную активность со временем.

Обучение манжеты распознавать жесты руки

Чтобы оценить качество сигнала в реальных условиях, команда сделала больше, чем просто измерила уровень шума. Они обучили компьютерный алгоритм распознавать, какое движение выполняет человек, основываясь только на электрических паттернах, записанных манжетой. Подход использовал сеть небольших классификаторов, оперирующих как с изображениями, которые совместно определяли, какой из шести жестов наиболее вероятен. Тот же эксперимент был повторён с популярной коммерческой манжетой Myo для сравнения. Новая сухая манжета достигла примерно 80,5% точности в определении правильного жеста, по сути сопоставимой с 80,3% точности коммерческого устройства. Отношение сигнал/шум сухих электродов оставалось стабильным в течение до 21 месяца повторного использования, что указывает на надёжность золотого покрытия со временем.

Проверка способности вызывать сокращения мышц

Далее исследователи оценили, насколько эффективно манжета может подавать электрическую стимуляцию. Два сегмента сухой манжеты разместили над мышцами, сгибающими запястье и безымянный палец, и стандартный клинический стимулятор подавал импульсы через электроды. Они измеряли минимальный ток, который участники могли почувствовать, ток, необходимый для вызова видимого сокращения мышцы, и немного более высокий уровень. Одновременно тягомер, прикреплённый к кисти или пальцу, измерял, какую силу произвела мышца. Эти тесты повторили с обычными электродами на геле в тех же местах. Среди 40 участников не было значимых различий между сухими и влажными электродами ни в требуемом токе, ни в создаваемом мышечном моменте, что показывает, что новая конструкция может стимулировать так же эффективно, как существующие клинические пластины.

Взгляд в будущее: более умные реабилитационные устройства

Исследование демонстрирует, что одна сухая манжета с золотым покрытием может надёжно улавливать мышечные сигналы для распознавания жестов и одновременно подавать безопасную и эффективную стимуляцию. Для неспециалиста это означает, что будущие реабилитационные инструменты могут выглядеть скорее как простая гильза или браслет, который понимает ваши намерения движения и помогает мышцам их выполнять — без грязных гелей и постоянного переставления. Хотя в текущей работе сенсинг и стимуляция тестировались по отдельности, авторы описывают, как будущие версии могли бы быстро чередовать эти две функции для поддержки терапии в реальном времени, управляемой намерением, для людей, восстанавливающихся после инсульта или других нервно-мышечных заболеваний.

Цитирование: 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

Ключевые слова: поверхностная электромиография, электрическая стимуляция, технологии реабилитации, носимые датчики, управление жестами руки