Elektrische spierstimulatie: hoe stroom je spieren aan het werk zet
Elektrische spierstimulatie (vaak afgekort als EMS, van het Engelse electrical muscle stimulation) is een techniek waarbij zwakke stroompulsjes via elektroden op de huid een spier laten samentrekken, zonder dat je daar zelf bewust een beweging voor hoeft te maken. Normaal stuurt je hersenen via de zenuwen een elektrisch signaal naar een spier op het moment dat je bijvoorbeeld je arm buigt. Bij EMS wordt dat signaal van buitenaf nagebootst: een apparaat stuurt via elektroden stroompulsen naar de spier, die daardoor samentrekt alsof jij zelf het commando gaf. Vergelijk het met een marionet: normaal trek jij zelf aan je eigen touwtjes (de zenuwen), maar met EMS trekt een extern apparaat tijdelijk aan diezelfde touwtjes.
De meeste mensen zijn de techniek al eens tegengekomen zonder het te beseffen: de fysiotherapeut die na een blessure elektroden op je knie plakt, of de buikspierriem die met tintelende schokjes belooft je buikspieren te trainen terwijl je op de bank zit. Ook in ziekenhuizen wordt de techniek al decennia toegepast, bijvoorbeeld om spierverval tegen te gaan bij mensen die lang stilliggen. Nieuw is vooral de opmars van compactere, krachtigere en slimmere systemen: van complete 'EMS-pakken' in fitnessstudio's tot geavanceerde implantaten die verlamde spieren weer laten bewegen.
Wat is het precies?
Een spier trekt normaal samen doordat een motorisch zenuwcel (motorneuron) een elektrisch signaal afgeeft dat via de zenuw naar de spiervezel loopt. Daar zorgt dat signaal voor een chemische reactie die de spiervezel laat verkorten. EMS omzeilt de hersenen en de bewuste aansturing: elektroden op de huid geven een stroompuls af die de zenuw of de spiervezel er direct onder rechtstreeks activeert, zodat de spier samentrekt zonder dat er een 'wil om te bewegen' aan te pas komt.
De apparatuur werkt met parameters die de fysiotherapeut of trainer kan instellen: de frequentie (hoe vaak per seconde een puls wordt afgegeven, in hertz), de pulsbreedte (hoe lang elke stroomstoot duurt, meestal enkele honderden microseconden) en de intensiteit (de sterkte van de stroom, meestal in milliampère). Lage frequenties geven trage, aparte trekjes; hogere frequenties zorgen voor een vloeiende, aangehouden samentrekking, vergelijkbaar met een normale spieractie.
Er bestaat verwarring tussen EMS en TENS (transcutaneous electrical nerve stimulation), een techniek die veel op fysiotherapiepraktijken wordt gebruikt tegen pijn. TENS richt zich op de gevoelszenuwen en probeert pijnsignalen te onderdrukken; er ontstaat geen spiercontractie. EMS, ook wel NMES (neuromuscular electrical stimulation) genoemd, richt zich juist op de bewegingszenuwen en spiervezels en heeft als doel een zichtbare samentrekking. Bij zogeheten functional electrical stimulation (FES) gaat het nog een stap verder: daarbij wordt de stimulatie zo getimed en gecombineerd dat er een functionele beweging ontstaat, zoals het optillen van een voet tijdens het lopen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderliggende doel is steeds hetzelfde: spierfunctie herstellen, behouden of versterken zonder dat iemand daar zelf (voldoende) actief voor kan of hoeft te zijn. Dat is om verschillende redenen aantrekkelijk. In de revalidatie helpt EMS om spierverval tegen te gaan bij mensen die door een blessure, operatie of ziekte tijdelijk niet kunnen bewegen: een spier die elektrisch geactiveerd blijft, verzwakt minder snel dan een spier die helemaal stilligt.
Bij verlamming, bijvoorbeeld na een dwarslaesie of beroerte, is het doel ambitieuzer: spieren die door zenuwschade niet meer op eigen commando reageren, alsnog laten bewegen via een extern signaal, zodat iemand bijvoorbeeld weer kan staan, fietsen of een voorwerp vastpakken. In de fitnesswereld wordt EMS verkocht als een manier om in kortere tijd meer spiervezels te activeren dan bij gewone training, wat vooral aantrekkelijk lijkt voor mensen met weinig tijd of met fysieke beperkingen. En in de ruimtevaart onderzoekt men EMS als middel om spier- en botverlies tegen te gaan bij astronauten die lange tijd in gewichtloosheid verblijven, waar spieren nauwelijks belasting krijgen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een paar concrete voorbeelden laten zien hoe breed het toepassingsgebied is:
- Whole-body EMS-onderzoek in Duitsland. Sportwetenschapper Wolfgang Kemmler, verbonden aan onder meer de Deutsche Sporthochschule Köln en de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, publiceerde vanaf de jaren 2010 een reeks klinische studies naar 'whole-body EMS' (WB-EMS) — pakken met tientallen elektroden die tegelijk grote spiergroepen prikkelen — als training tegen sarcopenie (leeftijdsgebonden spierverlies) en osteoporose bij ouderen.
- Ruimtevaartonderzoek naar spierbehoud. Het Duitse ruimtevaartcentrum DLR heeft, mede met het oog op toekomstige lange missies, bedrust-studies uitgevoerd waarbij proefpersonen weken achtereen plat moeten liggen om spierverval door gewichtloosheid na te bootsen. EMS is daarbij een van de onderzochte tegenmaatregelen, naast trainingsapparatuur zoals de zwaartekrachtsimulator op het International Space Station.
- Functionele stimulatie bij dwarslaesie. Het Cleveland FES Center, een samenwerking tussen Case Western Reserve University en het MetroHealth ziekenhuis in Ohio, onderzoekt al sinds de jaren negentig implanteerbare FES-systemen. Bekend werk daar is het zogeheten 'Freehand'-systeem, dat mensen met een dwarslaesie in de nek weer een grijpbeweging met de hand kan geven, en FES-fietsen waarmee verlamde beenspieren via elektrische pulsen worden aangestuurd om te trappen.
- Medische hulpmiddelen tegen voetheffersparese. Het Amerikaanse bedrijf Bioness bracht het NESS L300-systeem op de markt, een draagbaar, draadloos EMS-apparaat dat mensen met een 'klapvoet' (bijvoorbeeld na een beroerte) helpt hun voet tijdens het lopen op te tillen.
- Commerciële fitnessapparatuur. Bedrijven als het Duitse miha bodytec en het Amerikaanse Katalyst verkopen whole-body EMS-pakken aan fitnessstudio's en consumenten, terwijl apparaten van het merk Compex al langer gebruikt worden door (top)sporters voor spierherstel na inspanning.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Eenvoudige EMS voor pijnbestrijding en spierrevalidatie is een volwassen, breed beschikbare techniek die al decennia in fysiotherapiepraktijken wordt gebruikt en waarvan de werking voor specifieke, beperkte doelen (zoals het tegengaan van spierverval na een operatie) redelijk goed is onderbouwd.
Whole-body EMS-training voor fitnessdoeleinden is populairder geworden, maar het wetenschappelijk bewijs voor de geclaimde voordelen boven gewone krachttraining is wisselend en vaak beperkt tot specifieke groepen, zoals ouderen of mensen met rugklachten die moeilijk normale training aankunnen. Er zijn ook gedocumenteerde gevallen van rabdomyolyse (ernstige spierafbraak met kans op nierschade) na te intensieve whole-body EMS-sessies, wat onderzoekers en beroepsverenigingen ertoe heeft aangezet te waarschuwen voor het belang van goed opgeleide begeleiding en geleidelijke opbouw.
Functionele elektrische stimulatie om verlamde ledematen aan te sturen is het meest experimentele terrein. De techniek werkt aantoonbaar — mensen kunnen ermee staan, fietsen of grijpen — maar blijft beperkt door spiervermoeidheid bij langdurig gebruik, een grove aansturing die minder precies is dan natuurlijke spieraansturing, en de noodzaak van chirurgische implantaten voor de beste resultaten. Combinaties met exoskeletten en hersen-computerinterfaces worden onderzocht, maar staan nog grotendeels in de onderzoeksfase en zijn niet breed beschikbaar voor patiënten.
Wie werken eraan?
Op het gebied van sport- en fitnesstoepassingen is Duitsland een opvallend zwaartepunt, met onderzoeksgroepen als die van Wolfgang Kemmler aan de Deutsche Sporthochschule Köln en fabrikanten als miha bodytec. In de Verenigde Staten richten bedrijven als Katalyst en Compex (onderdeel van DJO Global) zich eveneens op de fitness- en sportmarkt.
Op medisch vlak is het Cleveland FES Center in de Verenigde Staten (Case Western Reserve University, MetroHealth) een van de langst actieve onderzoekscentra voor implanteerbare functionele elektrische stimulatie. Bioness (VS) is een voorbeeld van een bedrijf dat medische EMS-hulpmiddelen commercieel op de markt brengt. Internationaal wetenschappelijk werk op dit terrein wordt mede samengebracht door de International Functional Electrical Stimulation Society (IFESS), een vakvereniging van onderzoekers en clinici wereldwijd.
In de ruimtevaart doet het Duitse ruimtevaartcentrum DLR onderzoek naar EMS als tegenmaatregel tegen spierverval, vaak in samenwerking met de European Space Agency (ESA), met het oog op toekomstige langeafstandsmissies waarbij astronauten weken tot maanden in gewichtloosheid doorbrengen.