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Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

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Elektro-Myographie (EMG)
eine kleine Einführung

 


Inhaltsverzeichnis

      1.   Was ist Elektro-Myographie?

      2.   Motorische Einheiten

      3.   Elektrische Signale

      4.   Wie misst man das Aktionspotenzial?

      5.   Was bezweckt man mit EMG und iEMG?

      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 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 so genannten 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-Empfangsleitungen) 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. einen Schmerzreiz empfängt und mit seinem Axon diesen Schmerz durch elektrische APs weiterleitet und an der Synapse chemisch mittels Neurotransmitter einem Dendrit weitergibt und dieser wiederum elektrische APs 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 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 so genannter 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 so genannten 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 so genannte 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 AP 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 so genannte 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 platzieren, 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 Entfernung 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, abhängig davon wie gut es gelingt, die Elektroden so nahe wie möglich an eine Faser zu platzieren. Es interessieren hier die Spannungsspitzenwerte und die Signalform. 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 und iEMG?

Die Bezeichnung iEMG für intramuskuläre Messung von EMG-Signalen, ist eine "lokale" Wortschöpfung in einem Team der Zusammenarbeit und ist keine offizielle Bezeichnung. Im Bereich des EMG hat iEMG noch die die Bedeutung als "integriertes Elektromyogramm". Dies ist allerdings ein völlig anderes Thema und hat nichts mit meinen Elektronik-Minikursen zu tun, die sich mit iEMG befassen.

Die intramuskuläre Messung mittels Nadel- oder Drahtelektroden, dient vorwiegend der wissenschaftlichen Forschungstätigkeit, bei der es darum geht, Erkrankungen an Muskeln (Myopathien) durch EMG-Signalmuster zu erkennen. Hier werden primär EMG-Signale (APs) aufgezeichnet und danach werden diese analysiert. In der Analyse liegt die Haupttätigkeit, die zunächst darin besteht, dass man verwertbare EMG-Signalmuster von Artefakten unterscheidet. Eine etwas andere Forschertätigkeit ist es, starke AP-Aktivität dort zu erkennen, wo man sie nicht erwartet und daraus Erkenntnisse gewinnt, die z.B. in physiotherapeutischen Praxen umgesetzt werden können, um kranken Patienten besser zu helfen, vorausgesetzt natürlich, dass man alles dazu Notwendige in die Wege leitet. In so einem Fall endet die Arbeit nicht mit dem Abschluss einer Dissertation, wobei dies nicht heissen soll, dass dies die Aufgabe des Ex-Doktoranden sein muss.

Ich möchte es nicht unterlassen ein mir bekanntes Resultat aus einer Forschungstätigkeit mit intramusklulärer EMG-Analyse kurz vorzustellen:
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 vielleicht auch 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 eine verkrampfte Haltung bei der Arbeit ist, sondern die ständigen 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 leider meinen Kenntnissen. Sollte ein Leser dazu etwas wissen, bitte ich darum mir eine E-Mail zu schreiben.

Mehr zu dieser Forschungstätigkeit erfährt man hier aus einer Dissertation von Herrn Dr. Michael Schnoz:

Und hier die Dissertation:

Haut-Oberflächenelektroden eignen sich schlecht für die EMG-Analyse, weil die Wiedergabe der APs nicht möglich ist. Auf Grund der Überlagerung sehr vieler solcher Impulse zeigt sich ein chaotisches Signalmuster, das einem Rauschsignal gleicht. 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 die APs-Frequenz und damit die mittlere EMG-Spannung niedrig. Man kann diesen Effekt mit einem Frequenzspannungswandler vergleichen. Ich empfehle dazu diesen Elektronik-Minikurs zum Thema SC-Tiefpassfilter. Man lese das Kapitel "Einfacher Frequenz/Spannungs-Wandler mit Monoflop". Es erklärt wie ein Anstieg der Impulsfrequenz, gefiltert mit einem passiven Tiefpassfilter, die Mittelwertspannung ansteigen lässt.

Es gibt eine Methode mittels Haut-Oberflächenelektroden APs bis zu einem gewissen Grad zu rekonstruktuieren. Dazu benötigt man einen Elektrodenarray mit sehr vielen Elektrodenpaaren mit denen eng nebeneinander vielkanalig gemessen und mit gewissen dafür entwickelten Algorithmen die einzelnen EMG-Signale verknüpft werden. Wie die AP-Rekonstruktion funktioniert, weiss ich nicht. Ich erinnere mich nur noch, dass der Erfolg mit dieser Methode bescheiden ausfiel. Vielleicht hat sich dies in der bereits langen Zwischenzeit verbessert.

EMG-Biofeedback wird bei gewissen Myopathien (Muskelerkrankungen) therapeutisch erfolgreich eingesetzt. Zwei solcher Fälle habe ich bei einem Einsatz im Zürcher Universitätsspital in den 1970/80er-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 so genannter Schiefhalspatient. Dies war die Folge eines Motorradunfalles. Der andere Patient litt unter abnormal häufigen Schreibkrämpfen im Unterarm. Ob er vielleicht auch unter signifikantem Magnesiummangel litt, weiss ich nicht...



6.   Elektroden

Teilbild 5.1 zeigt die Anwendung mit extrem dünnen Drahtelektroden und Teilbild 5.2 zeigt eine einfache Methode, wie man für private und preiswerte Anwendungen Oberflächenelektroden leicht selbst herstellen kann.

Die Drahtelektrode besteht aus einem mit Teflon isolierten korrosonsfreien 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 abgeschirmten 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, wie es dieses Foto illustriert. 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 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. 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 ein Stanzwerkzeug 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 rau anfühlen. Hat man kein Stanzwerkzeug 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 Spiritus 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 Tropfen eines Zwei-Komponenten-Kleber (2KK), z.B. Araldit, auf die nicht mit Kupfer beschichtete PCB-Fläche. Vorher sollte man aber diese Kunststofffläche mit grobkörnigem Schleifpapier etwas aufrauen und mit Spiritus gut reinigen, damit die Verklebung gut hält. Die so hergestellte Elektrode funktioniert wirklich sehr gut und ist mechanisch stabil.

Elektroden-Vorbereitung: Die beiden selbstgebauten kleinen Elektroden (Teilbild 5.2) fixiert man nahe beieinander rückseitig an der Stelle mit dem gehärteten Zwei-Komponenten-Kleber-Tropfen (2KK) je auf einem Stück Klebeband KB. Diese beiden Klebebänder fixiert man mit den verzinnten Elektrodenflächen EL, nach oben gerichtet, mit feinen Stecknadeln SN auf eine Holzplatte, wie dies Bild 6 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 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. Siehe Bild 7 im nächsten Kapitel.

Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass man auch professionelle Oberflächenelektroden kaufen kann. Es gibt solche welche in eine Klebefläche mit Anschlussknopf 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. Preisgünstig sind sie sicher nicht.



7.   Akustisches EMG-Bio-Feedback

In Bild 7 zeigt Maki, das lustige lemurische Halbäffchen aus Madagaskar, wie ein kleines EMG-BioFeedback-Gerät grundsätzlich funktioniert.



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 7) hat seinen Schwanz an einer Stelle kahl rasiert, wo er die Referenz-Bandelektrode 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 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 entsprechend hohe EMG-Spannungswerte.

Das in Bild 7 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 leicht 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 Mess-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 und schneller beherrschen.

Bild 7 illustriert ein abgeschirmtes Kabel, das beide Elektrodenkabel umschliesst. Man kann also ein gewöhnliches 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 niedrig ist, jedoch für EMG-Biofeedback-Anwendungen ausreicht.



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. Eine fixfertige Schaltung zum Blockschema in Bild 8 gibt es in Echter Differenzverstärker IV im Kapitel "Der einfache und preiswerte EMG-Verstärker" und Abschnitt "Ein EMG-Biofeedbackgerät".



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 neutralisiert. Es kommt auf diese Weise mit der hohen Quellimpedanz der ultrafeinen Drahtelektroden 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 einstellbarer (GAIN) 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 der nachfolgenden Analog/Digital-Wandlung, 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 erwerben. 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 Verzögerungszeit bis zur Antwort kann manchmal lange dauern. Ich werde dies allerdings nach erfolgter Anfrage rasch mitteilen, wenn ich nicht gleich antworten kann.

Es ist möglich von mir ein ZIP-File von einer erprobten EMG-Messanlage zu erhalten, das den interessierten Leser unterstützt, selbst ein EMG-Messgerät zur intramuskulären Messung und oder auch nur Oberflächenmessung zu bauen. Ob es ebenso acht Kanäle, mehr oder weniger sein sollen, entscheidet man selbst. Mehr dazu erfährt man im Elektronik-Minikurs Echter Differenzverstärker IV.

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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 ; 23.12.2010 ; 01.03.2014 ; 18.12.2014 ; 01.11.2015