MMB3 EMG-Messung

Modul MMB3 EMG-Messung
Kategorie Messmethoden Biomechanik
Autor Cengic
Voraussetzung Grundlagen Biomechanik
Bearbeitungsdauer ca. 60 Minuten
Letzte Änderung 14. Dezember 2014
Status in Review
Lehrveranstaltung Lernziel
PS Forschungsmethoden 2 - Was ist EMG?
- Wie funktioniert ein EMG? (nur Logik, keine Details)
- Welche Aussagen können mit Hilfe des EMG getroffen werden?

Einleitung

Die ersten Entdeckungen über den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Muskelanspannung gehen auf den italienischen Wissenschaftler Luigi Galvani (1737-1798) zurück. Im Jahre 1791 depolarisierte er Froschschenkel, indem er sie mit Kupfer bzw. Eisen in Berührung brachte. Ein Stromkreis zwischen der Salzlösung im Froschschenkel und dem Muskel als Stromanzeiger konnte hergestellt werden.

Graf Alessandro Volta (1745-1827) erfährt von den Froschexperimenten Galvanis und dessen Interpretation. Er beginnt mit eigenen Untersuchungen und widerlegt Galvanis Aussage über die „tierische Elektrizität“. Im Jahre 1800 konstruierte er erste elektrische Batterie (Voltasäule).

Im Jahre 1838 gelang es dem italienischen Neurophysiologen Carlo Matteucci den elektrischen Strom im Muskel direkt zu messen. Ebenfalls angeregt von den bioelektrischen Experimenten Galvanis war der deutsche Elektrophysiologe Du­ Bois-Reymond (1818-1896), welcher 11 Jahre später feststellte, dass in jeder lebenden Zelle ein Aktionsstrom entsteht.


Definition

Basmajian (1978, S. 1) definiert die Elektromyografie (EMG) als das Studium der Muskelfunktion anhand von Untersuchung elektrischer Signale, welche von den Muskeln ausgehen: „Electromyography is the study of muscle function through the inquiry of the electrical signal the muscles emanate“. Im Grunde handelt es sich hierbei um ein Methode zur Messung elektrischer Signale, die durch Aktionspotentiale an Muskelfasermembranen erzeugt werden (vgl. Gruber et al., S. 121).



Grundlagen

EMG-Einflussfaktoren

Das EMG-Messsignal kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden (Gruber et al., 2009, S. 132):

Muskelanatomie • Muskelform
• Dicke der subkutanen Gewebeschichten
• Verteilung, Anzahl und Länge der Muskelfasern
Physiologie der Muskelfasermembraneigenschaften • Durchschnittliche Aktionspotentialleitgeschwindigkeit
• Form der intrazellulären Aktionspotentiale
Eigenschaften der mot. Einheiten • Anzahl rekrutierter mot. Einheiten
• Entladungsfrequenzen
• Synchronisation mot. Einheiten
Bewegungsbedingte Faktoren • Verkürzung / Dehnung der Muskelfasern
• Lageveränderung der Muskels relativ zu Elektrode
Physikalische Faktoren • Gewebeleitfähigkeit
• Crosstalk – Signalanteile durch Aktionpotentiale in Nähe liegender Muskeln
Technische Faktoren • Hautwiderstand
• Signalfilter
• Elektrodenabstand, -größe und –form
• Winkel zw. Elektrodenoberfläche und Muskelfaserverlauf


Ein vorbeugende Maßnahme zur Reduzierung von Störvariablen ist die adäquate Vorbereitung der Ableitstelle, dazu zählen u.a. die Hautrasur, Entfettung bzw. Säuberung durch Alkohol, Auftragung von Kontaktgel und die parallele Aufsetzung der Elektroden zum Muskelfaserverlauf.



De- und Repolarisation

Abb. 1: De- und Repolarisationsvorgänge der Muskelfasermembran (mod. nach Gruber et al., S. 123)

Das Ruhepotential im Zellinnenraum beträgt ca. -80 bis -90 mV und wird über eine Ionenpumpe aufrechterhalten. Die Ionenpumpe befördert für zwei K+ Ionen, die sie in die Zelle bringt, drei Na+ Ionen aus der Zelle nach außen. Dementsprechend befinden sich verhältnismäßig mehr negativ geladene Ionen im Zellinnenraum als außerhalb der Membran. Beim überschwelligen Reiz kommt es zur Veränderung des Ionengleichgewichts und damit des Ruhepotentials (s. Abb. 1).

In Abb. 1 sind die De- und Repolarisationsvorgänge der Muskelfasermembran abgebildet. Zum Zeitpunkt der Depolarisation strömen Na+ Ionen schlagartig in den Zellinnenraum. Die Anzahl positiv geladener Ionen im Zellinnenraum steigt über den Wert außerhalb der Membran und das Zellpotential wird positiv. Anschließend folgt die Repolarisation, damit gemeint ist ein schlagartiger Ausstrom von K+ Ionen aus dem Zellinnenraum. Diese Polaritätsänderungen liefern das elektrische Signal, auf denen die EMG-Messung basiert (Gruber et al., S. 122).


Benennen Sie die (Block)Pfeile innerhalb der Ionenkanäle



Elektrodentypen

Ein Meilenstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Erfindung von Nadeleketroden zur direkten Messung von Aktionspotentialen. Heute findet die Nadel-Elektromyografie überwiegend Anwendung in klinischem Umfeld zur Diagnose von Neuro- und Myopathien. Für sportwissenschaftliche Fragestellungen und für diagnostische Zwecke im Spitzen- und Leistungssport werden Oberflächenelektroden (OEMG) verwendet.

Exkurs: Nadel-Elektromyografie vs. OEMG:
Die Nadelelektromyografie stellt eine invasive Methode dar. Hier wird die Nadel durch die Haut in den Muskel in die Nähe von Muskelfasern gebracht. Diese Methode ermöglicht es das Rekrutierungs- und Frequenzierungsverhalten einzelner motorischer Einheiten genauer zu untersuchen.
Bei der Oberflächen-Elektromyografie wird eine oder mehrere Elektroden auf die Haut über dem Muskelbauch appliziert. Im Gegensatz zur invasiven Methode untersucht das OEMG das Summenpotential möglichst aller motorischer Einheiten (Gruber et al., S. 127). Die Oberflächenelektroden eignen sich nur für große Oberflächenmuskeln (z.B. M. biceps femoris), denn das EMG-Signal wird im Wesentlichendurch die Rekrutierung bzw. Frequentierung bereits aktiver motorischer Einheiten beeinflusst (Cross-Talk).

Monopolare / bipolare Ableitung

Abb. 2: Monopolare Ableitung (mod. nach Winter, S. 252)

Elektroden auf der Hautoberfläche nehmen elektrische Signale auf und leiten diese an das EMG-System weiter. Das System sollte in der Lage sein EMG-Signale zu registrieren, verstärken und diese nahezu ohne jegliche Verzerrung zu reproduzieren. Die Messung eines EMG-Signals kann mit einer Elektrode (monopolar) oder zwei Elektroden (bipolar) erfolgen.

Bei der monopolaren Ableitung wird eine einzelne Elektrode über den Muskelbauch und eine Referenzelektrode in einem Bereich minimaler Aktivität (i.d.R. das Ohrläppchen oder ein Knochenvorsprung) etwas entfernt platziert.

Die bipolare EMG-Messung verwendet zwei aktive Elektroden, welche in minimalem Abstand zueinander angebracht sind. Es ist die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten, die aufgezeichnet wird.

Das resultierende Potential $\Phi$ ergibt sich aus folgendem Ausdruck:

$\Phi = \frac{I}{4 II \delta} * \frac{1}{r}$

Abb. 3: Bipolare Ableitung (mod. nach Winter, S. 255)

Das Symbol $I$ steht für die Stromquelle, welches die Depolarisation repräsentiert, und $-I$ symbolisiert die Repolarisation. Beide haben den Abstand $b$ zueinander. Der griechische Buchstabe $\delta$ ist eine Leitzahl für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.

Die Differenz der Potentiale liefert berechnet sich wie folgt (Winter, 2009, S. 252):

$\Phi = ( \frac{I}{4 II \delta} * \frac{1}{r_1} ) - ( \frac{I}{4 II \delta} * \frac{1}{r_2} ) = \frac{I}{4 II \delta} * (\frac{1}{r_1} - \frac{1}{r_2} )$

Im abschließenden Tutorial zu diesem Eintrag wird näher auf diese Formel eingegangen.



Signalverarbeitung und -auswertung

Die technische Anwendbarkeit des EMG-Systems stellt sich als relativ unproblematisch heraus. Vielmehr stellt die korrekte Verarbeitung des EMG-Signals hohe Anforderungen an technisch-physiologische Kenntnisse und an Erfahrungswissen des Untersuchenden.

Zur Aufzeichnung der über Oberflächen- oder Nadelelektroden gewonnenen Signale müssen Verstärker mit bestimmten Eigenschaften verwendet werden. Ein solches EMG Signal ist eine Überlagerung von MUAPs (muscle unit action potentials) und sollte unverfälscht, sowie frei von Störsignalen oder Rauschen sein. Unverfälscht heißt hierbei, dass das Signal innerhalb des Verstärkungsbereiches und des Erfassungssystems linear verstärkt wird (Seyfarth, 2012, S. 24).

Konfiguration von EMG-Verstärkern

  1. Verstärkungsfaktor
  2. Eingangswiderstand
  3. Frequenzantwort
  4. Common-mode rejection

Bei der Einstellung des Verstärkungsfaktors sollte das (Verstärker)Rauschen geringer als 50 μV sein. Dabei darf das verstärkte EMG-Signal nicht den zulässigen Eingangsbereich des Erfassungssystems überschreiten. Der Eingangswiderstand des EMG-Verstärkers muss ausreichend groß sein, um das EMG Signal nicht zu verringern. Nach Winter (2009, S. 259) sind Einflussfaktoren für eine „saubere“ Übertragung zwischen Haut und Elektrode die Dicke der Hautschicht, die Sauberkeit der Haut- bzw. Elektrodenoberfläche und die Temperatur der Elektrodenpaste.

Zu beachten gilt, dass die Frequenz-Bandbreite des EMG-Verstärkers alle im EMG-Signal vorhandenen Frequenzen gleichmäßig verstärken sollte (s. Abb. 4).

Abb. 4: Frequenzantwort (mod. nach Winter, S. 260)


Oben abgebildet (s. Abb. 4) ist eine 1000fache Verstärkung (60 dB). Die jeweiligen Cutoff-Frequenzen tragen die Bezeichnung $f_1$ und $f_2$. Oft wird die Verstärkung in logarithmischer Form ausgedrückt:

$Verstärkung\ (dB) = 20 \log_{10}(lineare\ Verstärkung)$


Der menschliche Körper ist ein guter elektrischer Leiter und fängt somit die elektromagnetische Strahlung der Umgebung ähnlich wie eine Antenne auf. Häufig kommt die elektromagnetische Strahlung aus dem Stromnetz (Kabel, Leuchtstofflampen, Geräte). Die resultierenden Überlagerungen können eine Messung von EMG-Signalen sehr erschweren oder gar unmöglich machen (Seyfarth, 2012, S. 31). Idealerweise wird durch den Differentialversärker lediglich die Differenz zw. den Elektroden verstärkt. In geringem Umfang wird das Potential, das an beiden Elektroden in gleichem Ausmaß vorliegt, mitverstärkt (Gleichspannungsanteil). Dies kann vermieden werden durch die Common Mode Rejection (CMR). Dabei gibt die CMR-Rate das Ausmaß an, mit der die Verstärkung des Gleichspannungsanteils durch den Differentialverstärker unterdrückt wird. Möchte man den Gleichspannungsanteil vor der Verstärkung minimieren, wird eine Referenzelektrode angebracht. Weil das ungewollte Signal in beiden aktiven Terminalen auftritt (common), nennt man es common-mode signal.

Auswerteverfahren

Um eine korrekte Interpretation des EMG-Signals zu ermöglichen, bieten sich folgende Auswerteverfahren an (Gruber et al., 2009, S. 135ff.):

Gleichrichtung
Hierunter versteht sich die Betragsbildung der Amplitudenwerte, um eine bessere Lesbarkeit zu gewähren.

Glättung
Das Interferenzmuster des OEMGs ist ein Signal mit stochastischen Eigenschaften. Einzelne Amplitudenspitzen unterliegen der zufallsbedingten Überlagerung von Signalen aller erfassten motorischer Einheiten. Eine gängige Glättungsmethode ist die Erzeugung einer Hüllkurve für das gleichgerichtete Signal.

Filtern
Beim Filtern werden Mess-Signalanteile mit bestimmten Frequenzen eliminiert. Dies ist unproblematisch bei kinematischen Daten, da bewegungsrelevante Daten niederfrequent, und Störsignale hochfrequent sind (Tiefpassfilter, z.B. Butterworth). Als problematisch stellt sich die Auswahl eines geeigneten Wertes für die Cut-off Frequenz heraus. Cut-off Frequenzen sollten für die Trennung der Frequenzbereiche so gewählt werden, dass möglichst viele Rauschanteile eliminiert werden ohne das EMG-Signal stark zu verändern.

Triggerung
Eine Interpretation von OEMGs ist i.d.R. nur möglich, wenn zeitlicher Bezug vorhanden ist. Zeitgleich zur EMG-Aufzeichnung kann die Kinematik des Messobjekts mittels kinemetrischer Messmethoden erfasst werden, um die Zuordnung zwischen EMG-Aktivität und dem Bewegungsverhalten zu erleichtern.

Mittelwertbildung
Bei einer Vielzahl Bewegungs-Wiederholungen ist es sinnvoll OEMG-Kurven zu mitteln. Nach der Mittelung des Roh-EMGs erhält man über eine große Anzahl an Bewegungsausführungen die systematisch auftretenden Signalanteile.

Normierung
In diesem Schritt wird das EMG-Signal in Bezug auf die max. Aktivierung relativiert, um eine korrekte Interpretation des Untersuchenden zu ermöglichen.

Zusammenfassung




Fragen

  • Wo liegt der Unterschied zw. Nadel- und Oberflächenelektroden?
  • Erkläre die bipolare EMG Messung in eigenen Worten.


Literatur

Basmajian, J. V. (1978). Muscles alive. Their functions revealed by electromyography. Philadelphia: Williams & Wilkins.

Gilmore, K. L. & Meyers, J. E. (1983). Using Surface Electromyography in Physiotherapie Research. The Australian Journal of Physiotherapy, 29 (3), 3-9.

Gruber, M., Taube, W. & Gollhofer, A. (2009). Einführung in die Oberflächenelektromyografie. In A. Gollhofer (Hrsg.), Handbuch Sportbiomechanik (S. 120-147). Schorndorf: Hofmann.

Seyfarth, A. (2012). EMG Messung. Präsentationsfolien im Rahmen des PS Messwertaufnahme und -verarbeitung SS 2012. Darmstadt: Institut für Sportwissenschaft.

Tassinary, L. G., Cacioppo, J. T. & Vanman, E. J. (2007). The Skeletomotor System: Surface Electromyography. In J. T. Cacioppo, J. G. Tassinary & G. G. Bernston (Ed.), Handbook of Psychophysiology (pp. 267-303). Cambridge: Cambridge University Press.

Winter, D. A. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.



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