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.

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).

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

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.

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).

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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).

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.

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

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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