Ease of use and non-invasiveness has made transcutaneous stimulation a pervasive approach for restoration of hand function. Besides, limited targetability and induced discomfort pose a significant impediment for its clinical translation. By modifying the electrode geometry, we aim to improve the stimulation performance of small surface area electrodes that are suited for forearm muscles. Accordingly, the stimulation performance of twelve electrode geometries was assessed using a computational model and subsequent experimentation on healthy participants. Several metrics quantified their stimulation performance in terms of selectivity, comfort, and safety. Systematic analysis showed that electrode geometries and their underlying currents distribution influence selectivity and comfort, allowing for better stimulation performance. Ranking the electrode geometries identified the concentric serpentine, and the fractal-based Sierpiński and Hibert-types to outperform the circular electrodes. At a comfortable level, these electrodes provoked selective and substantial muscle contraction. Ideally, these geometries can be a reference for optimal electrode designs. The novelty of this study lies with both model-based and experimental assessments on a wide range of electrode geometries and the introduction of a computational model for electrode performance evaluation. Implications from this study can aid with easy to fabricate and personalized electrode designs. By integrating these optimized electrode designs with advanced material technologies, the applicability of wearable neuroprostheses can be improved.

中文翻译：

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可穿戴神经假体的经皮刺激电极的设计。

易于使用和非侵入性使经皮刺激成为恢复手功能的普遍方法。此外，有限的靶向性和引起的不适感对其临床翻译构成了重大障碍。通过修改电极的几何形状，我们旨在改善适用于前臂肌肉的小表面积电极的刺激性能。因此，使用计算模型和随后对健康参与者的实验评估了十二种电极几何形状的刺激性能。几个指标根据选择性，舒适性和安全性量化了它们的刺激表现。系统分析表明，电极的几何形状及其潜在的电流分布会影响选择性和舒适度，从而实现更好的刺激性能。对电极的几何形状进行排序可以确定同心的蛇形，以及基于分形的Sierpiński和Hibert型可以胜过圆形电极。在舒适的水平上，这些电极引起选择性的和实质性的肌肉收缩。理想地，这些几何形状可以作为最佳电极设计的参考。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。基于分形的Sierpiński和Hibert型则胜过圆形电极。在舒适的水平上，这些电极引起选择性的和实质性的肌肉收缩。理想地，这些几何形状可以作为最佳电极设计的参考。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。基于分形的Sierpiński和Hibert型则胜过圆形电极。在舒适的水平上，这些电极引起选择性的和实质性的肌肉收缩。理想地，这些几何形状可以作为最佳电极设计的参考。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。这些电极引起选择性的和实质性的肌肉收缩。理想地，这些几何形状可以作为最佳电极设计的参考。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。这些电极引起选择性的和实质性的肌肉收缩。理想地，这些几何形状可以作为最佳电极设计的参考。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。这项研究的新颖性在于对各种电极几何形状的基于模型的评估和实验评估，以及用于电极性能评估的计算模型的引入。这项研究的含义可以帮助易于制造和个性化的电极设计。通过将这些优化的电极设计与先进的材料技术集成在一起，可以改善可穿戴神经假体的适用性。