Elektro-Myographie (EMG)
eine kleine Einführung
Das Inhaltsverzeichnis meiner
Elektronik-Minikurse
Die Philosophie meiner
Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort
von Jochen Zilg
Autor:
Thomas Schaerer
Buch 1
Buch 2
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Elektro-Myographie?
2. Motorische Einheiten
3. Elektrische Signale
4. Wie misst man das Aktionspotenzial?
5. Was bezweckt man mit EMG?
6. Elektroden
7. Akustisches EMG-Bio-Feedback
8. EMG-Biofeedbackgerät (Blockschaltbild)
9. Ein EMG-Messgerät (Blockschaltbild)
10. Externe Anfragen per E-Mail
11. Links
1. Was ist Elektro-Myographie?
Bevor diese Frage gestellt wird, sollte man sich zunächst fragen was
Leben ist und da zeigt sich schon einmal die Unsicherheit, ob Leben mit
heutigem biologischen Wissen ausreichend befriedigend erklärt werden
kann, oder ob es eine (philosophische) Unsicherheit (Unschärfe) gibt,
ja vielleicht sogar immer geben wird. Wenn wir schon nicht klar wissen
was Leben ist, so können wir heute wenigstens einigermassen beantworten
was das biologische Leben von Tieren und Menschen voraussetzt. Zu den
Fähigkeiten der Vermehrung und des Stoffwechsels, sind es
signalverarbeitende Prozesse welche diesen Fähigkeiten zugrunde liegen.
Lebendige Strukturen sind sehr komplexe signal- bzw.
informationsverarbeitende Systeme. Diese bestehen aus den sogenannten
Nervenzellen, den Neuronen, wie dies mit einem Neuron im folgenden
Foto illustriert wird:
Das Foto zeigt in der Mitte den Zellkörper einer Nervenzelle (Neuron),
links davon die dickere Nervenfaser - Axon genannt - die das elektrische
Signal, Aktionspotenziale (APs, s für Mehrzahl), des abgebildeten
Neurons zum nächsten leitet. Die vielen feinen Verästelungen, Fortsätze
des Zellkörpers, Dendriten genannt, empfangen APs von andern Neuronen
durch deren Axone, die zum abgebildeten neuronalen Zellkern geleitet
werden.
Jedes Neuron besteht aus einem Zellkörper und dieser, wie jede andere
Zelle auch, aus einem Zellkern der Mitochondrien enthält. Das sind die
Bausteine für die Gewinnung der Energie. Ein anderer Baustein ist das
endoplasmatischen Retikulum, das für die von der Zelle benötigten
Proteinsynthese verantwortlich ist. Der Zellkörper und von die ihm
ausgehenden Dendriten (Signal-Empfangleitungen) sind mit unzähligen
Synapsen (chemisch/elektrische Schaltstellen) übersät. Diese
Schaltstellen - man könnte sie ganz modern auch als Interface bezeichnen
- verbinden den Zellkörper und die Dendriten mit den Enden der von
andern Neuronen kommenden Nervenfasern, die man Axone bezeichnet. Ein
Neuron besteht aus sehr vielen Dendriten (Empfangskanäle) und einem Axon
(Senderkanal), wie dies in Bild 1 skizziert dargestellt ist:
Oben rechts in Bild 1 sieht man einen Rezeptor der z.B. ein
Schmerzreiz empfängt und mit seinem Axon diesen als elektrisches
AP weiterleitet und an der Synapse chemisch mittels
Neurotransmitter einem Dendrit weitergibt und dieser wiederum ein
elektrisches AP in Richtung Zellkörper sendet.
Ein einzelnes Neuron ist nicht einfach ein logisches Schalttor, wie man
es von der digitalen Schaltungstechnik her kennt. Man muss ein Neuron
eher mit einem Signalprozessor vergleichen. Man versuche sich den
gesamten signalverarbeitenden Prozess des menschlichen Gehirns
nachzuvollziehen, der aus etwa 100 Milliarden Neuronen besteht und jedes
dieser Neuronen mittels Axon und den vielen Dendriten mit bis zu 1000
andern Neuronen interagiert. Ein Neuron ist mit bis zu 10'000 Synapsen
übersät. Dies alles sprengt schlichtweg jede Vorstellungskraft. Das
menschliche Gehirn hat etwa gleichviel Neuronen wie "unsere" Galaxy
Sterne hat...
Ein paar Worte zur Synapse. Man betrachte dazu Bild 2. Während die
Signalleitung in den Fasern elektrischer Natur ist, folgt die
Übertragung in den Synapsen, über den hauchdünnen synaptischen Spalt mit
einer Breite von etwa 0.01 Nanometern, chemisch mittels sogenannter
Neurotransmitter, z.B. Acetylcholin, als Botenstoffe. Ein
Neurotransmitter kann anregende oder dämpfende Wirkung haben. Aber es
ist alles noch viel komplizierter, weil der selbe Neurotransmitter kann
an der einen Stelle im Hirn/Nervensystem eine anregende und an einer
anderen Stelle eine dämpfende Wirkung haben. In der Synapse gibt es noch
eine ganz andere wichtige Steuergrösse. Es sind Kalzium-Ionen, die wie
Moderatoren wirken und die Freisetzungsrate der Neurotransmittermoleküle
beeinflussen.
Wer als Laie mehr in's Detail gehen möchte, empfehle ich das Buch
Gehirn und Nervensystem (ISBN: 3-922508-21-9) aus der Reihe
"Verständliche Forschung", ein Spektrum-der-Wissenschaft-Buch. Dieses
Buch ist allgemeinverständlich geschrieben. Es setzt keine medizinische
Fachkenntnisse voraus.
2. Motorische Einheiten
Ich schrieb weiter oben davon, dass die Signalleitung in den
Nervenfasern elektrischer Natur ist. Dies gilt natürlich ebenso für die
Muskelfasern. In der Elektro-Myographie geht es darum, dass mittels
Elektroden, entweder in der Nähe der Fasern (intramuskulär) oder auf der
Haut, dieses elektrische Signal gemessen wird.
Muskeln müssen sehr verschiedenen Ansprüchen genügen. Der Augenmuskel
kann sehr kleine Änderungen mit hoher Geschwindigkeit durchführen. Hier
ist hohe Präzision gefordert. Eine solche Feinsteuerung ist abhängig
vom sogenannten Innervationsverhältnis. Motorische Nervenzellen liegen
im Rückenmark und die von ihnen ausgehenden Fasern enden auf den
Muskelzellen. Für den Augenmuskel beträgt das Innervationsverhältnis 1:3
und dies bedeutet, dass eine motorische Nervenzelle durchschnittlich
drei Muskelzellen steuert. Im Vergleich dazu liegt das
Innervationsverhältnis bei der Skelettmuskulatur in der Grössenordnung
von mehr als 1:100. Entsprechend ungenau fällt die Bewegung der
Skelettmuskulatur aus, - für den Zweck jedoch ausreichend. Man nennt
eine motorische Nervenzelle mit allen Muskelfasern, die sie innerviert,
eine motorische Einheit.
3. Elektrische Signale
Warum wir Muskelaktivitäten elektrisch messen können, wissen wir jetzt.
Wir wissen aber noch nicht, welchen Sinn diese Möglichkeit hat. Davon
werden wir noch lesen. Zunächst wollen wir wissen, was die elektrische
Aktivität in den Nerven- und Muskelfasern überhaupt verursacht und dazu
betrachten wir die Skizzen in Bild 3:
Teilbild 3.1 zeigt uns den stark vereinfachten schematischen Aufbau
einer Muskelfaser. Der Innenraum ist mehr angereichert mit Kalium- und
den Aussenbereich mehr mit Natriumionen. Dies erzeugt zwischen Innenraum
und Aussenbereich der Faser eine Ruhegleichspannung von etwa -70 mV. Der
Fachausdruck nennt sich Ruhemembranpotenzial (RMP). Diese Spannung wird
durch sogenannte Ionenpumpen, wie Teilbild 3.2 illustriert,
aufrechterhalten. Diese pumpen jeweils zwei Kaliumionen in den Innenraum
und drei Natriumionen in den Aussenbereich. Dadurch entsteht aussen ein
positiver Ladungsüberschuss. Die Ionenpumpen werden durch
Stoffwechselvorgänge angetrieben.
Ich hatte mit einem Professor eines Pharmazeutischen Institutes einen
E-Mailwechsel. Er schrieb mir etwas betreffs Ionenpumpen, dessen Inhalt
ich hier wörtlich für diejenigen wiedergebe, welche sich mit Biochemie
wesentlich besser auskennen als ich:
Die Pumpe heisst für mich Na,K ATPase, weil sie
ATP spaltet und daraus die Energie gewinnt um 3 Na im Austausch gegen 2
K zu pumpen. Dadurch werden die chemischen Gradienten für Na und K
aufrecht erhalten. Während eines APs fließen aber nur marginale Ströme,
es geht ja nur um die Information, nicht um Konzentrationsänderungen.
Das ist beim Ca-AP (z.B. am Herz) natürlich anders. Die Gradienten,
besonders der für Na, werden auch für transepitheliale Transporte
genutzt (Darm, Niere).
Wenn eine motorische Nervenzelle einen Muskel zur Kontraktion anregen
soll, müssen auf der Faser APs übertragen werden. Dazu werden der Faser
entlang jeweils nacheinander Natrium- und Kaliumionenkanäle geöffnet und
geschlossen (Teilbild 3.2). Dieser Prozess setzt sich in Richtung des
punktierten Pfeiles fort. Öffnet sich der Natriumionenkanal, wird lokal
der Innenraum mit positiver Ladung überflutet. Dadurch steigt die
Spannung sprunghaft von etwa -70 mV auf etwa +30 mV an. Die Amplitude
beträgt etwa 100 mV (Teilbild 3.3). Gleich danach öffnet sich der
Kaliumionenkanal und der Ladungsausgleich findet statt. Dort wo vorher
der Impuls (AP) war, stellt sich erneut das RMP von -70 mV wieder ein.
Der Natrium-/Kalium-Ionenaustausch und das AP breitet sich entlang der
Faser in Richtung motorische Endplatte aus, wo der Muskel angeregt wird.
Interessant sind folgenden Daten: Die Fasermembran hat eine Dicke von
etwa 5 Nanometern. Bei einem RMP von nur gerade -70 mV, ergibt dies eine
enorme elektrische Feldsstärke von 14 kV/mm welche diese Membran
isolieren muss. Eine wahrhaft fantastische biologische Leistung. Wenn
sich die Natriumionen- und Kaliumionenkanäle nacheinander öffnen um das
AP zu erzeugen, dann öffnen sich diese Kanäle mit einem Durchmesser von
bloss etwa 0.5 Nanometern. Die Molekülmasse eines solchen äusserst
winzigen Ionenkanalschalters beträgt etwa 200'000 Molekülmassen.
Der Aussenbereich der Faser ist mit einer Proteinhülle als elektrischer
Isolator umgeben, den man Myelinhülle nennt. Zwischen definierten
Faserabschnitten gibt es Stellen an der diese Schicht dünner und
eingeschnürt ist. Eine solche Stelle nennt man Ranvierscher Schnürring.
Das AP springt quasi von einem Schnürring zum nächsten und pflanzt sich
so sehr schnell fort. Die Multiplesklerose-Krankheit (MS) besteht im
Prinzip darin, dass sich die Myelinhülle fortschreitend auflöst und so
die APs nicht mehr vollständig oder zu langsam übertragen werden. Die
schrecklichen Konsequenzen leuchten ein. Es gibt heute allerdings gute
Medikamente, mit denen der Krankheitsverlauf verzögert, ja zeitweise
sogar gestoppt werden kann.
4. Wie misst man das Aktionspotenzial?
Wir kommen nun zu Bild 4, das zeigt, welche elektrischen Signale in
welcher Form als sogenannte EMG-Signale gemessen und verarbeitet
werden können:
Um ein elektrisches Signal so zu gewinnen, dass es einigermassen der
Form des AP einer Faser entspricht, muss intramuskulär mit Nadel- oder
ultrafeinen Drahtelektroden gemessen werden. Teilbild 4.1 illustriert
dies schematisch stark vereinfacht. Viele Fasern erzeugen APs. Je mehr
von diesen Impulsen pro Zeiteinheit übertragen werden, je höher also
diese Impulsfrequenz ist, um so aktiver arbeitet der Muskel. Wenn es dem
Arzt gelingt die Draht- oder Nadelelektroden so nahe wie möglich an eine
Faser zu plazieren, desto idealer ist die Wiedergabe der APs. Oft
überlagern sich jedoch erwünschte APs mit denen von benachbarten Fasern
und Störsignale, so etwa wie dies als Beispiel das skizzierte Signal
in Teilbild 4.1 illustriert. Man nennt diese unerwünschten Signale
Artefakte.
Das skizzierte Widerstandsnetzwerk ist in Wirklichkeit dreidimensional.
Es illustriert sehr grob die Struktur des elektrischen Widerstandes im
Muskelgewebe. Es soll einfach nur zum Ausdruck bringen, dass die
Amplitude des AP mit zunehmender Entferung zur Quelle, der Faser,
abnimmt, weil der Innenwiderstand des Gewebes als variabler
Spannungsteiler wirkt und dabei der Widerstand zwischen den
Elektrodenpaaren und den Fasern zunimmt. Diese Angelegenheit ist
allerdings wesentlich komplexer. Man stellt fest, dass mit dem Abstand
zur Faser auch die Frequenzbandbreite des Signales abnimmt. Während man
bei der intramuskulären Messung (Teilbild 4.1) eine Bandbreite von 3 bis
6 kHz benötigt, ist für eine Messung mittels Hautoberflächenelektroden
(Teilbild 4.2) eine Bandbreite von weniger als 1 kHz meist mehr als
ausreichend. Damit ist auch klar, dass nicht nur resistive, sondern auch
kapazitive Anteile im Muskelgewebe und bei der Haut (Teilbild 4.2) eine
massgebliche Rolle spielen. Dieser Widerstands/Kapazitäts-Komplex hat
die Eigenschaft eines Tiefpassfilters.
Die Spannung UEMG1, welche intramuskulär gemessen
wird, kann leicht Werte bis 1 mV oder mehr annehmen, eben davon abhängig
wie gut es gelingt, die Elektroden so nahe wie möglich an eine Faser zu
platzieren. Es interessieren hier die Spannungsspitzenwerte. Die
Spannung UEMG2, welche an der Hautoberfläche
gemessen wird, liegt bestenfalls im 100-µV-Bereich und es interessieren
einem oft nur Mittelwert-Spannungen, die z.B. für
EMG-Biofeedback-Anwendungen in Frage kommen.
5. Was bezweckt man mit EMG?
Die intramuskulare Messung mittels Nadel- oder Drahtelektroden, dient
hauptsächlich der wissenschaftlichen Forschungstätigkeit, bei der es
darum geht, Erkrankungen an Muskeln (Myopathien) durch EMG-Signalmuster
zu erkennen. Hier werden primär EMG-Signale aufgezeichnet und danach
werden diese analysiert. Das ist leicht daher gesagt. In der Analyse
liegt die Haupttätigkeit, die zunächst darin besteht, dass man
verwertbare EMG-Signalmuster von Artefakten unterscheidet.
Ich möchte es nicht unterlassen ein mir bekanntes Resultat aus einer
Forschungstätigkeit mit intramusklulärer EMG-Analyse kurz darzustellen:
Eine Sekretärin welche den ganzen Tag konzentriert
am Computer arbeitet und in gekonnter Weise schnell und fleissig Texte
eintippt, beklagt sich am Abend über Nackenschmerzen. Wiederholt sich
dies immer wieder, sind Entzündungen die Folge, die sich lästig
dahinziehen können. Der Arzt diagnostiziert Verspannung der
Nackenmuskulatur und verordnet Medikamente und eine physikalische
Therapie. Dies hilft vielleicht teilweise oder auch nur vorübergehend.
Aus den intramuskulären EMG-Messungen zeigt sich allerdings die
Erkenntnis, dass die Ursache nicht etwa nur eine verkrampfte Haltung bei
der Arbeit ist, sondern die hochaktiven Fingerbewegungen beim Tippen auf
die Tastatur erzeugen in den Muskeln im Nackenbereich ein wahres
Feuerwerk von EMG-Aktionspotenzialen, die u.U. eben nicht ohne Folgen
bleiben. Wie weit diese Erkenntnis in Richtung Therapie fortgeschritten
ist, entzieht sich meinen Kenntnissen.
Mit Haut-Oberflächenelektroden kann man schlecht EMG-Analyse betreiben,
weil die Wiedergabe der APs ist nicht möglich. Auf Grund der
Überlagerung sehr vieler solcher Impulse zeigt sich ein chaotisches
Signalmuster und man misst einen Mittelspannungswert der die
Anspannungskraft des Muskels wiedergibt. Diese EMG-Spannung steigt, wenn
die Frequenz der APs zunimmt, und diese Zunahme verursacht eine stärkere
Muskelkontraktion. Ist der Muskel entspannt, ist APs-Frequenz und damit
die mittlere EMG-Spannung niedrig. Man kann diesen Effekt mit einem
Frequenzspannungswandler vergleichen und ich empfehle dazu diesen
Elektronik-Minikurs über
SC-Tiefpassfilter). Man
lese das Kapitel Einfacher Frequenz/Spannungs-Wandler mit
Monoflopp. Es wird illustriert, wie ein Anstieg der Impulsfrequenz,
gefiltert mit einem passiven Tiefpassfilter, die Mittelwertspannung
ansteigen lässt. Ganz ähnlich arbeitet das Muskelgewebe das ebenfalls
die Eigenschaft eines passiven Tiefpassfilters hat, wie bereits weiter
oben erwähnt ist.
Es gibt aber eine Methode mittels Haut-Oberflächenelektroden APs bis zu
einem gewissen Grad zu rekonstruktuieren. Dazu benötigt man einen
Elektrodenarray mit sehr vielen Elektrodenpaaren mit denen vielkanalig
gemessen und mit gewissen dafür entwickelten Algorithmen die einzelnen
EMG-Signale verknüpft und analysiert werden. Wie dies im Einzelnen
funktioniert, weiss ich nicht.
EMG-Biofeedback wird bei gewissen Myopathien (Muskelerkrankungen)
therapeutisch erfolgreich eingesetzt. Zwei solcher Fälle habe ich bei
einem Einsatz im Zürcher Universitätsspital in den 70er-Jahren mit einem
von mir gebauten zweikanaligen EMG-Biofeedback-Gerät mitbetreut. In
beiden Fällen konnten signifikante Verbesserungen der Gesundheit der
Patienten erzielt werden. Ein Patient war ein sogenannter
Schiefhalspatient. Dies war die Folge eines Motorradunfalles. Der andere
Patient litt unter abnormal häufigen Schreibkrämpfen im Unterarm.
6. Elektroden
Teilbild 5.1 skizziert die Angelegenheit mit den ultradünnen
Drahtelektroden und Teilbild 5.2 zeigt eine einfache Methode wie man für
private Anwendungen Oberflächenelektroden leicht selbst herstellen
kann.
Die Drahtelektrode besteht aus einem mit Teflon isolierten
korrionsfreien Metalldraht mit einem Durchmesser von z.B. 0.08 mm. Weil
zur EMG-Messung, abgesehen von der Referenzelektrode, pro Messkanal zwei
Elektroden benötigt werden, schiebt man zwei solche Drähte vorsichtig
durch das sehr dünne Röhrchen einer Injektionsnadel, wie sie sonst zur
Injektion von Medikamenten gebraucht wird. Vorsichtig knickt man die
Drähtchen ein wenig herum, möglichst nicht zu scharfkantik. An den
Stellen die mit EL (Elektrode) bezeichnet sind, schneidet man mit einem
scharfgeschliffenen kleinen Seitenschneider je ein Stück des Drahtes ab.
Die dadurch entstandene sehr kleine metallene Querschnittsfläche von
0.005 mm2 ist die aktive Elektrodenfläche welche Kontakt mit
dem Muskelgewebe hat. Bevor man mit der Nadel ins Muskelgewebe sticht,
dürfen die Drähte nur ganz kurz aus dem vorderen Ende der Nadel
herausschauen, damit die Drähte beim Stechen nicht geknickt werden.
Nachdem mit der Nadel gestochen und die Drähte platziert worden sind,
zieht man die Nadel vorsichtig heraus. Die schwachen Widerhaken geben
eine geringe Widerstandskraft und sorgen dafür, dass mit dem
Herausziehen der Nadel, die Elektroden im Gewebe haften bleiben. Hat
dies funktioniert, kontaktiert man diese sehr feinen Drahtelektroden,
dessen Teflonschicht erst entfernt werden muss, mit je einer Klemme, an
dessen anderen Ende die Litze des abgeschrirmten Kabels angeschlossen
wird. Dieses Kabel geht zum EMG-Verstärker. Natürlich muss zwecks
Zugsentlastung die ganze Verbindungtechnik auf der Haut, nahe bei der
Stelle wo die Messung stattfindet, mit Klebeband gut fixiert werden. Man
erkennt, die ganze Handhabung ist nicht ganz einfach. Nach der Messung
müssen die Drähte vorsichtig herausgezogen werden. Dabei ist es
natürlich wichtig, dass kein Stück der Drähte abgebrochen wird und im
Gewebe zurückbleibt. Dass diese Arbeit nur von einem Arzt durchgeführt
werden darf, versteht sich von selbst.
Wir kommen nun zu Teilbild 5.2 mit der selbstgebauten sehr preiswerten
Haut-Oberflächenelektrode. Will jemand für sich privat oder/und seinem
Bekanntenkreis ein EMG-Messgerät oder ein EMG-Biofeedbackgerät bauen,
ist es leicht möglich selbst Elektroden zu bauen, owohl diese nicht
unbedingt 100% den medizinischen Ansprüchen genügen: Als Basismaterial
verwendet man das selbe Material, wie man es zur Herstellung gedruckter
Schaltungen verwendet, soganntes PCB-Material (PCB = Printed Circuit
Board), auch schlicht Leiterplatte genannt. Anstatt die Originaldicke
von 1.6 mm empfiehlt sich für diese Anwendung dünnes Material von 0.5
mm, welches man beispielsweise von Bungard kaufen kann. Man benötigt
dazu keine mit Fotolack beschichtete Kupferlage. Eine einseitige
Kupferlage und blankes Kupfer mit einer Dicke von 35 µm genügen. Bevor
die Leiterplatte mechanisch verarbeitet wird, schleift man die
Kupferfläche zuerst mit einem feinen Schleifklotz oder etwas Ähnlichem
von Oxydteilen frei. Danach besprayt man die gereinigte Kupferfläche mit
einem Lötlack und man lässt diesen anschliessend trocknen.
Wenn eine Stanzmaschine zur Verfügung steht, stanzt man pro Elektrode
eine Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 12 mm aus. Mit etwas
grobem Schleifpapier oder einer Feile entgrated man die Kanten, damit
diese sich nicht mehr rauh anfühlen. Hat man keine Stanzmaschine zur
Verfügung, ist es natürlich leichter quadratische abgekanntete Flächen
herzustellen. Das geht natürlich ebenso. Im Aussenbereich der Scheibe
bohrt man ein kleines Löchlein mit einem Durchmesser, durch das die
abisolierte feine Litze LI des abgeschirmten Kabels AK hindurchgeht. IL
ist die isolierte Litze. Dann verlötet man die Litze auf der
Kupferschichtseite EL, wie die Lötstelle LS illustriert. Gleichzeitig
verzinnt man die ganze Fläche EL, die nach einer guten Reinigung mit
Spritus als Elektrodenfläche EL zur Verfügung steht. Wenn jemand diese
Fläche lieber versilbern will, steht dem natürlich nichts im Wege. Für
die Verzinnung empfiehlt sich heutzutage bleifreies Zinn zu verwenden.
Wichtig ist aber auch eine Zugsentlastung, damit die Litze beim kleinen
Loch nicht ausreissen kann. Dafür klebt man die isolierte Litze IL mit
einem reichlichen Tropfen eines Zwei-Komponenten-Kleber (2KK), z.B.
Araldit, auf die nicht mit Kupfer beschichtete PCB-Fläche. Vorher sollte
man aber diese Kunststoffläche mit grobkörnigem Schleifpapier etwas
aufrauen und mit Spritus gut reinigen, damit die Verklebung gut hält.
Die so hergestellte Elektrode funktioniert wirklich sehr gut und ist
mechanisch stabil.
Zum Schluss dieses Kapitels sei aber noch erwähnt, dass man auch
professionelle Oberflächenelektroden kaufen kann. Es gibt solche
welche in eine Klebefläche integriert sind. Diese Klebefläche hat eine
abziehbare Schutzfolie. Diese entfernt man kurz bevor die Elektrode auf
die Hautstelle geklebt wird. Wo man solche oder ähnliche Elektroden
kaufen kann, weiss ich nicht.
7. Akustisches EMG-Bio-Feedback
In Bild 6 zeigt Maki, das lustige lemurische Halbäffchen aus Madagaskar,
wie ein kleines EMG-BioFeedback-Gerät grundsätzlich funktioniert.
Elektroden-Vorbereitung: Die beiden selbstgebauten kleinen
Elektroden (Teilbild 5.2) fixiert man nahe beieinander rückseitig an der
Stelle mit dem Zwei-Komponenten-Kleber-Tropfen (2KK) auf einem Klebeband
KB oder zwei (beide Elektroden einzeln) Klebebänder KB und man fixiert
diese mit den blanken verzinnten Elektrodenflächen EL nach oben
gerichtet mit feinen Stecknadeln SN auf eine Holzplatte, wie dies Bild 7
illustriert:
Die Elektrodenflächen EL werden mit einem feinen Pinsel mit einer etwa
einprozentigen Salzwasserlösung oder mit einem speziellem Kontaktgel
benetzt. Man kann aber ebenso die elektrisch gut leitende Nivea-Emulsion
(nicht die elektrisch isolierende fettige Nivea-Creme), oder eine andere
wässrige Emulsion verwenden. Nach dem Entfernen der Stecknadeln SN werden
diese Elektroden mit den Klebebändern auf einen Muskel, z.B. am Oberarm
oder am Unterarm, geklebt (Bild 6).
Am Oberarm kann man bekanntlich durch Anwinkeln des Ellbogens den Muskel
anspannen, der die EMG-Spannung ansteigen lässt. Der Unterarm ist aber
interessanter. Man klebt die Elektroden etwa in die Mitte des Unterarmes
auf die Innenseite. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt
dabei etwa 5 cm oder etwas mehr. Die Referenzelektrode, die aus einem
Stück Metall bestehen kann, nimmt man z.B. in die Hand oder man
befestigt eine massige Bandelektrode an Arm oder Bein. Maki (Bild 6) hat
seinen Schwanz an einer Stelle kahl rasiert, wo er die Referenzelektrode
befestigt...
Vernünftig ist es, wenn die Referenzelektrode - man bezeichnet sie auch
als Neutralelektrode - nicht an einer Stelle befestigt wird, so dass das
Herz im Pfad zwischen Referenzelektrode und Messelektroden liegt, weil
dadurch die EKG-Impulsspannungen der Herzmuskelkontraktion schwach
stören können. Es sind dies Differenzspannungen. Das EKG-Signal ist im
Grunde ebenfalls ein EMG-Signal, weil es wird mittels motorischer
Nervenzelle ebenso ein Muskel, den Herzmuskel, kontrahiert und es sind
die davon abgeleiteten APs, die man mit dem EKG-Gerät misst.
Nachdem das EMG-Messgerät oder EMG-Biofeedbackgerät angeschlossen und
betriebsbereit ist, nimmt man einen Schreibstift in die Hand an dessen
Unterarm die Elektroden angeklebt sind, und man schreibt auf einem Blatt
Papier. Man stellt fest, dass die EMG-Spannung im Rythmus des Schreibens
leicht schwankt. Das lockere Bewegen der Finger wirkt sich ebenfalls auf
den Unterarmmuskel aus und man kann rythmisch zu diesen Fingerbewegungen
erhöhte EMG-Spannungen erzeugen und messen. Wenn man die Faust macht
oder noch besser, man hält eine kleine dünne Stange (unzerbrechlicher
Schreibstift) in der Hand und man drückt mit dem Daumen auf die Stange,
so verspannt sich der Unterarmmuskel sehr stark und dies erzeugt
erprechend hohe EMG-Spannungswerte.
Das in Bild 6 skizzierte akustische EMG-Biofeedbackgerät, das nach dem
VCF-Prinzip (VCF = Voltage Controlled Frequency) arbeitet, zeigt die
grundsätzlich wichtigsten Einstellparameter, die in der Regel mit
Potenziometern eingestellt werden. Auf den Eingang des EMG-Signales
folgt die Abstimmung der Verstärkung GAIN. Diese stellt man in der Regel
so ein, dass bei völlig entspanntem Muskel, die Tonfrequenz am
Lautsprecher beinahe 0 Hz oder einfach sehr niedrig ist. Danach folgt
die Abstimmung der Integrationszeitkonstante TIME-CONST. Hat man einen
kleinen Wert von z.B. 50 ms eingestellt, hört man jede noch so
kurzzeitige Änderung der EMG-Spannung. Damit kann man sehr schön, wie
angedeutet, schnelle Fingerbewegungen akustisch wiedergeben. Bei dieser
kurzen Zeitkonstante machen sich allerdings auch Störungen (Artefakte)
leicht bemerkbar. Das Ein- oder Ausschalten eines elektrischen Schalters
in der Nähe ist eine solche Störquelle. Meist ist es für
Feedbackanwendungen geeigneter eine Integrationszeitkonstante von
einigen 100 ms einzustellen. Dadurch machen sich die
EMG-Mittelwertspannungen bemerkbar und der Proband kann sich leichter
auf die Tonfrequenz die er hört einstellen. VOLUME dient der Einstellung
der Lautstärke am Lautsprecher.
Therapeutischer Ansatz: Ein solch kleines EMG-Biofeedback-Gerät
kann man durchaus auch für therapeutische Zwecke einsetzen. Man klebt
die Elektroden an einen Muskel der sich selbstständig verspannt. Die
Referenzelektrode nimmt man z.B. in die Hand oder befestigt eine massige
Bandelektrode an Arm oder Bein. GAIN dreht man soweit auf, dass man eine
hohe Tonfrequenz hört. Mit TIME-CONST beginnt man mit einem mittleren
Wert und VOLUME stellt man so laut ein, wie man es sich wünscht. Da sich
der Muskel nicht selbstständig entspannt, konzentriert man sich darauf,
dass die Tonfrequenz niedriger wird. Gelingt dies, entspannt sich der
Muskel. Das tönt sehr einfach, ist es aber nicht und es ist individuell
unterschiedlich. Man muss es ausprobieren. Hier gilt: Probieren geht
über Studieren. Ich stellte fest, dass Menschen, welche Übung im
Autogenen Training haben, diese EMG-Biofeedback-Technik leichter
beherrschen.
Bild 6 illustriert ein abgeschirmtes Kabel, das beide Elektrodenkabel
umschliesst. Man kann also ein gewöhliches symmetrisches Mikrofonkabel
verwenden. Allerdings gilt diese einfache Methode nur hier, wo mittels
relativ grossflächiger Elektroden relativ niedrige Quellimpedanzen wirken
und die Nutzfrequenzbandbreite des EMG-Signales mit weniger als 1 kHz
sehr niedrig ist. Für
8. EMG-Biofeedbackgerät (Blockschaltbild)
Bild 8 illustriert das Blockschema der Schaltung eines kleinen
EMG-Biofeedback-Gerätes. Es zeigt eingangseitig den echten
Differenzverstärker, der korrekterweise als Instrumentationsverstärker
bezeichnet wird. Er verstärkt die symmetrisch gemessene EMG-Spannung im
10-µV-Bereich bis maximal um die 100 µV, hier mit dem Faktor 100, und
erzeugt eine GND-bezogene EMG-Spannung. Ein nachfolgender Verstärker ist
einstellbar (GAIN) zwischen 10 und 200. Die Gesamtverstärkung ist somit
einstellbar zwischen 1000 und 20'000. Der nächste Block zeigt uns ein
Tiefpassfilter (LOWPASS), der die Frequenzbandbreite für den nutzbaren
Bereich zum Zweck der Rauschreduktion begrenzt. Zu diesem Thema liest
und lernt man mehr in
Rauschdämpfung mit Tiefpassfilter.
Nach dem Block des Tiefpassfilters folgt eine aktive
Gleichrichterschaltung, welche die verstärkte EMG-Spannung
gleichrichtet. Der nachfolgende Integrator (TIME-CONST) glättet die
verstärkte und gleichgerichtete EMG-Spannung. Der nachfolgende
Spannungs-Frequenz-Wandler (VCO) setzt die durch den Integrator
gemittelte Gleichspannung in eine Frequenz um. Je höher die
eingangsseitige Gleichspannung ist, um so höher ist die Frequenz der
Rechteckspannung am Ausgang der VCO-Schaltung. Die Rechteckspannung
des VCO-Ausganges wäre gross genug um den Lautsprecher zu steuern,
jedoch der Strom ist zu niedrig. Der nötige Strom wird mit einer
nachfolgenden Impdanzwandlerstufe erzeugt. Die Einstellung der
Amplitude der Rechteckspannung - das Mass für die Lautstärke - erfolgt
mit dem Potentiometer VOLUME.
Mit einem gewissen Mass an Grundkenntnissen und ausreichend praktischer
Erfahrung in elektronischer Schaltungstechnik und mit der Unterstützung
meiner Elektronik-Minikurse ist
es möglich, Bild 8 in eine reale Schaltung umzusetzen. Die dazu passenden
Elektronik-Minikurse erfährt man weiter unten im Kapitel Links.
Aber Achtung, diese Elektronik-Minikurse sind allgemein verfasst. Sie
sind nicht speziell für die Herstellung einer EMG-Biofeedback-Schaltung
konzipiert. Man kann also davon ausgehen, dass hier der Satz viele
Wege führen nach Rom gilt. Falls jemand selbst eine Schaltung
realisiert hat, würde mich ein E-Mail-Feedback freuen. Eine
fixfertige Schaltung zu den Blockschemata liefere ich nicht, weil dies
nicht der Zweck meiner Elektronik-Minikurse ist. Über diesen Zweck
liest man alles in
Unterstützung via E-Mail.
9. Ein EMG-Messgerät (Blockschaltbild)
Wie bereits im Kapitel "Was bezweckt man mit EMG?" erwähnt, dient
die Elektromyographie auch der wissenschaftlichen Forschungstätigkeit.
Bei intramukulärer Messung geht es z.B. darum, die APs so naturgetreu
wie möglich wiederzugeben. Im Kapitel "Wie misst man das
Aktionspotenzial?", weiter oben, stehen dazu etwas mehr Details,
u.a. in Bezug auf die Frequenzbandbreite. An dieser Stelle wollen wir
uns in groben Zügen mit dem grundsätzlichen Aufbau eines einkanaligen
Messverstärkers befassen, wie er in Bild 9 als Blockschaltbild skizziert
ist:
Auf der linken Seite sehen wir die Anschlüsse der EMG-Elektroden, die
Messelektroden und die Referenzelektrode. Der nachfolgende
Instrumentationsverstärker verstärkt die symmetrische EMG-Spannung und
erzeugt aus ihr eine asymmetrische GND-bezogene EMG-Spannung, wie das
schon in Bild 8 gezeigt wird. Etwas ist hier allerdings anders:
Jede EMG-Messleitung ist separat abgeschirmt und die Abschirmungen sind
nicht etwa mit dem GND der Messschaltung verbunden, sondern einzeln mit
(+) und (-). Diese Plus- und Minuszeichen in Klammern
bedeuten hier folgendes: Auf den nichtinvertierenden Eingang +
folgt ein zusätzlicher sehr rauscharmer Impedanzwandler und sein Ausgang
führt zum Anschluss (+). Die Abschirmung hat somit die exakt
selbe EMG-Spannung und Phasenlage wie die Signalleitung in ihr. Mit
diesem Trick wird die Wirkung der Abschirmung/Innenleiter-Kapazität
eliminiert. Es kommt durch diese Kapazität mit der hohen Quellimpedanz
einer ultrafeinen Drahtelektrode nicht zu unzulässig starken
Begrenzungen der Frequenzbandbreite. Die Abschirmungswirkung gegenüber
äusseren elektrischen Fremdfeldern, wie 50-Hz-Netzbrumm, bleibt genauso
wirksam, weil die Impedanz am Ausgang des Impedanzwandlers, der die
Abschirmung treibt, fast genau so niederohmig ist, wie wenn die
Abschirmung direkt mit dem GND der Schaltung verbunden ist. Für den
invertierenden Eingang - gilt das selbe in Verbindung mit
(-) und der Abschirmung mit dessen Innenleiter.
Auf den Instrumentationsverstärker folgt ein steuerbarer Verstärker,
wobei dies auch ein digital steuerbarer sein kann, der z.B. mittels
Computer programmiert wird. Diese Steuerung muss allerdings so ausgelegt
sein, dass sie die medizinischen Kriterien der sauberen galvanischen
Trennung gleich gut erfüllt, wie dies beim Netzteil
(High-Isolation-Powersupply) und beim nachfolgenden Trennverstärker
(High-Isolation-Amplifier) verlangt wird. Auf den
Isolations-Trennverstärker folgt vorzugsweise ein 50-Hz-Notchfilter, das
zusätzlich dafür sorgt, dass 50-Hz-Netzbrummspannungen unterdrückt
werden. Die symmetrische Messmethode alleine schafft dies nicht
ausreichend. Danach folgt ein steiles Antialiasing-Tiefpassfilter wegen
dem nachfolgenden Analog/Digital-Wandler, der dem Computer das
digitalisierte EMG-Signal liefert.
10. Externe Anfragen per E-Mail
Ich erhalte immer wieder Anfragen von Medizinern (Therapeuten), ob ich
ihnen weiterhelfen könnte ein fertiges käufliches EMG-Biofeedback-Gerät
zu erweben. Ich kann dies nicht. Es fehlt mir selbst dazu die nötige
Information. Ich kann eine gewisse Unterstützung bieten, wenn jemand
Fragen betreffs Elektronik und Sensorik (EMG) hat. Es kommt aber immer
auch ein wenig auf den Inhalt, Aufwand und Zeit an, die ich gerade zur
Verfügung habe oder eben nicht. Die Antwortzeit kann manchmal lange
dauern. Ich werde dies allerdings nach erfolgter Anfrage rasch
mitteilen.
11. Links
Für EMG-Biofeedback geeignete
Elektronik-Minikurse:
Weitere Links zum Thema Elektro-Myographie, siehe in
Grundlagen und Anwendungen in
Thomas Schaerer, 07.04.2003 ; 09.07.2004 ; 29.03.2005 ; 20.12.2005 ;
15.06.2006 ; 13.02.2008 ; 27.09.2009
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